一种星载海洋大气参数激光雷达探测系统技术方案

本发明专利技术属于雷达探测技术领域，公开了一种星载海洋大气参数激光雷达探测系统，包括：激光雷达信息获取模块、探测试验模块、水层衰减系数获取模块、后向散射系数获取模块、中央控制模块、总吸收系数获取模块、反演参数模型构建模块、相对误差模型构建模块、最优双波长确定模块、激光雷达探测模块。本发明专利技术提供的星载海洋大气参数激光雷达探测系统使用双波长海洋高光谱分辨率激光雷达进行探测，获取激光雷达的信息以及通过探测得到水层衰减系数、后向散射系数，从而实现总吸收系数的获取；择优选取海洋激光雷达的两个波长，提高叶绿素和CDOM吸收系数的反演精度，可以实现大范围的探测海洋上空的大气温度、湿度、密度参数分布信息的准确获取。

【技术实现步骤摘要】
一种星载海洋大气参数激光雷达探测系统
本专利技术属于雷达探测
，尤其涉及一种星载海洋大气参数激光雷达探测系统。
技术介绍
目前：海洋面积占地球表面总面积的71％左右，获取与掌握海洋上空的大气参数和气候环境对于提高海洋大气环境的认识与研究来说极为重要。海洋大气环境的主要参数包括温度、湿度、密度等，这些参数对于研究海洋上空气象环境、气候变迁、陆-海上空水汽传输、大气运动等科学自然规律，以及提高海上作业及海洋上空飞机飞行等都具有重要意义。常用的大气探测遥感设备包括被动遥感设备和地基激光雷达，但是，被动遥感设备无法进行全天时全天候测量，探测精度低，无法获得大气的三维信息。而地基激光雷达受探测范围的限制，无法对包含海洋上空的全球范围内的大气进行高精度探测。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的大气探测遥感设备无法进行全天时全天候测量，探测精度低，无法获得大气的三维信息；受探测范围的限制，无法对包含海洋上空的全球范围内的大气进行高精度探测。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种星载海洋大气参数激光雷达探测系统。本专利技术是这样实现的，一种星载海洋大气参数激光雷达探测系统，所述星载海洋大气参数激光雷达探测系统包括：激光雷达信息获取模块，与中央控制模块连接，用于通过激光雷达信息获取程序进行双波长海洋高光谱分辨率激光雷达信息的获取，得到激光雷达信息；探测试验模块，与中央控制模块连接，用于通过探测试验程序进行激光雷达的探测回波反演试验，得到激光雷达探测回波反演试验结果；水层衰减系数获取模块，与中央控制模块连接，用于通过水层衰减系数获取程序依据获取的激光雷达探测回波反演试验结果进行水层衰减系数的获取，得到激光雷达的水层衰减系数；所述通过水层衰减系数获取程序依据获取的激光雷达探测回波反演试验结果进行水层衰减系数的获取，得到激光雷达的水层衰减系数，包括：获取激光雷达探测回波反演试验结果，进行激光雷达探测回波反演激光雷达衰减系数的提取；并依据提取的激光雷达衰减系数估计水体的多次散射特征参数m的估计值；利用多次散射特征参数m的估计值，基于多次前向-单次后向散射雷达模型，建立不同视场接收时激光雷达回波比值的方程组，计算水体前向散射系数；所述计算水体前向散射系数，包括：将多次散射特征参数m的估计值代入多次前向-单次后向散射雷达模型，得到多次散射项：其中，m为多次散射特征参数，2θrcvr为接收视场角，n水体折射率，H为激光雷达距离水面的高度，bf为水体前向散射系数，z为探测水深，2θlas为激光光束发散角，x为光子散射后位置向量的空间频率，J1为1阶贝塞尔函数，rlas和Rrcvr分别为探测激光束和望远镜接收通光面的半径；基于多次前向-单次后向散射雷达模型，计算船载激光雷达的回波强度：其中，Q为激光能量，Arcvr为接收视场入瞳面积，T2为激光波长在大气中和气海界面的双程衰减，v为光速，τd为脉冲宽度，n为水体折射率，z为探测深度，H为激光雷达与水面间距离，β(π)为水体后向180°散射系数；a为水体吸收系数，bb为后向散射系数；F(z)为多次散射项；利用相同视场入瞳面积、不同的有效接收视场i，计算船载激光雷达的回波强度：Pi(z)＝Pwater(ψi，z)＝M(z)F(ψi，z)；获得回波比值方程组：求解回波比值方程组，计算积分项中的未知数：水体前向散射系数bf和多次散射特征参数m的准确值；基于Walker-Mclean模型，获得不同视场的激光雷达回波比，并采用最小二乘法模型计算水体的吸收系数和多次散射项；采用最小二乘法模型计算水体的吸收系数和多次散射项，包括：先将水体前向散射系数bf近似为散射系数b，代入Walker-Mclean模型，则有：其中，b为散射系数，τ为多次散射时间，g(z,τ)为对多次散射时间τ统计的Gamma分布概率密度函数，简称多次散射项；其中，<θ2>为散射角均方值，θ＝arccos[(0.142m2-1)/0.132m2]，m为多次散射特征参数m的准确值；利用不同视场角θ1、θ2下的激光雷达回波比值，去除水体后向180°散射系数β(π)的计算影响：求解得到水体吸收系数a；采用最小二乘法模型，计算水体的多次散射项g(z,τ)；在Walker-Mclean模型中，进行极限深度假设，反演不同水层的向下漫射衰减系数；后向散射系数获取模块，与中央控制模块连接，用于通过后向散射系数获取程序依据获取的激光雷达信息进行后向散射系数的获取，得到激光雷达的后向散射系数；中央控制模块，与激光雷达信息获取模块、探测试验模块、水层衰减系数获取模块、后向散射系数获取模块连接，用于通过主控机对各连接模块的运行进行控制，保证各个模块正常运行。进一步，所述星载海洋大气参数激光雷达探测系统还包括：总吸收系数获取模块，与中央控制模块连接，用于通过总吸收系数获取程序依据获取的激光雷达的水层衰减系数与后向散射系数进行总吸收系数的获取，得到总吸收系数；反演参数模型构建模块，与中央控制模块连接，用于通过反演参数模型构建程序进行反演参数模型的构建，得到反演参数模型；相对误差模型构建模块，与中央控制模块连接，用于通过相对误差模型构建程序进行相对误差模型的构建，得到相对误差模型；最优双波长确定模块，与中央控制模块连接，用于通过最优双波长确定程序依据构建的反演参数模型与相对误差模型获得波长和误差的关系，并依据获取的波长和误差的关系进行最优双波长的确定，得到最优双波长；激光雷达探测模块，与中央控制模块连接，用于通过激光雷达探测程序将获取的最优双波长作为探测波长进行激光探测，得到海洋上空的大气信息。进一步，所述双波长海洋高光谱分辨率激光雷达设置有：激光发射单元、接收单元、锁频单元、滤波单元、数据采集及处理单元。进一步，所述通过激光雷达信息获取程序进行双波长海洋高光谱分辨率激光雷达信息的获取，得到激光雷达信息，包括：进行激光雷达信息所在的数据库的确定，所述数据库包括一个或多个数据元；基于所述数据元对应的信息的提取路径，获取所述数据元对应的一个或多个激光雷达信息；所述激光雷达信息至少包括激光雷达名称；基于所述激光雷达名称，将一个或多个所述激光雷达信息按照对应的激光雷达名称进行关联；基于关联的信息得到对应的结构化数据；基于所述数据元与所述激光雷达的信息之间的对应关系，将所述结构化数据进行转化，得到对应所述数据元中的标准数据；基于所述激光雷达名称，将对应于同一所述激光雷达名称的各所述标准数据分别与各所述标准数据对应的各所述数据元进行关联存储。进一步，所述反演不同水层的向下漫射衰减系数，包括：将Walker-Mclean模型的深度z趋近于无穷大，得到基于极限深度假设的Wal本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载海洋大气参数激光雷达探测系统，其特征在于，所述星载海洋大气参数激光雷达探测系统包括：/n激光雷达信息获取模块，与中央控制模块连接，用于通过激光雷达信息获取程序进行双波长海洋高光谱分辨率激光雷达信息的获取，得到激光雷达信息；/n探测试验模块，与中央控制模块连接，用于通过探测试验程序进行激光雷达的探测回波反演试验，得到激光雷达探测回波反演试验结果；/n水层衰减系数获取模块，与中央控制模块连接，用于通过水层衰减系数获取程序依据获取的激光雷达探测回波反演试验结果进行水层衰减系数的获取，得到激光雷达的水层衰减系数；/n所述通过水层衰减系数获取程序依据获取的激光雷达探测回波反演试验结果进行水层衰减系数的获取，得到激光雷达的水层衰减系数，包括：/n获取激光雷达探测回波反演试验结果，进行激光雷达探测回波反演激光雷达衰减系数的提取；并依据提取的激光雷达衰减系数估计水体的多次散射特征参数m的估计值；/n利用多次散射特征参数m的估计值，基于多次前向-单次后向散射雷达模型，建立不同视场接收时激光雷达回波比值的方程组，计算水体前向散射系数；/n所述计算水体前向散射系数，包括：/n将多次散射特征参数m的估计值代入多次前向-单次后向散射雷达模型，得到多次散射项：/n...

【技术特征摘要】
1.一种星载海洋大气参数激光雷达探测系统，其特征在于，所述星载海洋大气参数激光雷达探测系统包括：
激光雷达信息获取模块，与中央控制模块连接，用于通过激光雷达信息获取程序进行双波长海洋高光谱分辨率激光雷达信息的获取，得到激光雷达信息；
探测试验模块，与中央控制模块连接，用于通过探测试验程序进行激光雷达的探测回波反演试验，得到激光雷达探测回波反演试验结果；
水层衰减系数获取模块，与中央控制模块连接，用于通过水层衰减系数获取程序依据获取的激光雷达探测回波反演试验结果进行水层衰减系数的获取，得到激光雷达的水层衰减系数；
所述通过水层衰减系数获取程序依据获取的激光雷达探测回波反演试验结果进行水层衰减系数的获取，得到激光雷达的水层衰减系数，包括：
获取激光雷达探测回波反演试验结果，进行激光雷达探测回波反演激光雷达衰减系数的提取；并依据提取的激光雷达衰减系数估计水体的多次散射特征参数m的估计值；
利用多次散射特征参数m的估计值，基于多次前向-单次后向散射雷达模型，建立不同视场接收时激光雷达回波比值的方程组，计算水体前向散射系数；
所述计算水体前向散射系数，包括：
将多次散射特征参数m的估计值代入多次前向-单次后向散射雷达模型，得到多次散射项：



其中，m为多次散射特征参数，2θrcvr为接收视场角，n水体折射率，H为激光雷达距离水面的高度，bf为水体前向散射系数，z为探测水深，2θlas为激光光束发散角，x为光子散射后位置向量的空间频率，J1为1阶贝塞尔函数，rlas和Rrcvr分别为探测激光束和望远镜接收通光面的半径；
基于多次前向-单次后向散射雷达模型，计算船载激光雷达的回波强度：



其中，Q为激光能量，Arcvr为接收视场入瞳面积，T2为激光波长在大气中和气海界面的双程衰减，v为光速，τd为脉冲宽度，n为水体折射率，z为探测深度，H为激光雷达与水面间距离，β(π)为水体后向180°散射系数；a为水体吸收系数，bb为后向散射系数；F(z)为多次散射项；
利用相同视场入瞳面积、不同的有效接收视场i，计算船载激光雷达的回波强度：
Pi(z)＝Pwater(ψi，z)＝M(z)F(ψi，z)；
获得回波比值方程组：



求解回波比值方程组，计算积分项中的未知数：水体前向散射系数bf和多次散射特征参数m的准确值；
基于Walker-Mclean模型，获得不同视场的激光雷达回波比，并采用最小二乘法模型计算水体的吸收系数和多次散射项；
采用最小二乘法模型计算水体的吸收系数和多次散射项，包括：
先将水体前向散射系数bf近似为散射系数b，代入Walker-Mclean模型，则有：



其中，b为散射系数，τ为多次散射时间，g(z,τ)为对多次散射时间τ统计的Gamma分布概率密度函数，简称多次散射项；



其中，<θ2>为散射角均方值，θ＝arccos[(0.142m2-1)/0.132m2]，m为多次散射特征参数m的准确值；
利用不同视场角θ1、θ2下的激光雷达回波比值，去除水体后向180°散射系数β(π)的计算影响：



求解得到水体吸收系数a；
采用最小二乘法模型，计算水体的多次散射项g(z,τ)；
在Walker-Mclean模型中，进行极限深度假设，反演不同水层的向下漫射衰减系数；
后向散射系数获取模块，与中央控制模块连接，用于通过后向散射系数获取程序依据获取的激光雷达信息进行后向散射系数的获取，得到激光雷达的后向散射系数；
中央控制模块，与激光雷达信息获取模块、探测试验模块、水层衰减系数获取模块、后向散射系数获取模块连接，用于通过主控机对各连接模块的运行进行控制，保证各个模块正常运行。


2.如权利要求1所述星载海洋大气参数激光雷达探测系统，其特征在于，所述星载海洋大气参数激光雷达探测系统还包括：
总吸收系数获取模块，与中央控制模块连接，用于通过总吸收系数获取程序依据获取的激光雷达的水层衰减...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔庆鹏，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33