一种水体叶绿素浓度剖面反演方法和激光雷达探测方法技术

本发明专利技术公开了一种水体叶绿素浓度剖面反演方法和激光雷达探测方法，其中的反演方法包括：获取目标区域特定深处的激光雷达探测回波信号，其包括荧光通道和拉曼通道；将荧光通道的后向散射信号廓线表示为包括荧光后向散射系数的函数；将拉曼通道的后向散射信号廓线表示为包括拉曼后向散射系数的函数；以拉曼通道的后向散射信号廓线函数对荧光通道的后向散射信号廓线函数进行归一化，得到归一化信号；基于扰动法反演荧光后向散射系数；基于反演得到的荧光后向散射系数，反演特定激光波长下的叶绿素荧光吸收系数；基于反演得到的叶绿素荧光吸收系数，反演水体中叶绿素浓度廓线

【技术实现步骤摘要】
一种水体叶绿素浓度剖面反演方法和激光雷达探测方法


[0001]本专利技术涉及激光雷达探测领域，具体涉及一种水体叶绿素浓度剖面反演方法和激光雷达探测方法
。

技术介绍

[0002]海洋生态系统在全球气候变化和生态环境保护领域具有重要的作用，浮游植物是海洋生态系统的主要生产者，其净光合作用的固碳量约等于所有陆生植物固碳量的总和；湖泊生态系统在调节区域气候和保持区域生态平衡方面扮演着重要的角色，同时也是重要的淡水资源库，水体的富营养化会导致藻华现象的爆发，污染水体环境
。
叶绿素是浮游植物进行光合作用的主要色素，用于表征浮游植物的生物量
。
目前探测叶绿素的手段主要有生物化学方法
、
原位仪器测量
、
被动遥感和主动遥感
。
其中，激光雷达作为一种主动式光学遥感设备，可用于探测水体的生物光学特性剖面，对上层海洋垂直分布结构进行遥感测量，具备高时空分辨率
、
昼夜连续观测
、
全球尺度测量等优势
。
[0003]然而，现有的荧光激光雷达系统存在一定的局限性：由于应该信号的强度明显弱于弹性散射信号，即使使用高功率激光器，现有的荧光激光雷达系统仍只能从水体表层获取信息
。
幸运的是，单光子探测技术提供了获取荧光后向散射信号廓线的可能性，基于单光子探测技术，荧光激光雷达系统在低脉冲能量激光和小口径望远镜的条件下也能实现远距离探测，并可基于此获取荧光廓线数据
。
[0004]但是，在获得荧光廓线数据后，现有的反演方法难以从一次测量中推断荧光激光雷达方程中所存在的荧光激光雷达衰减系数和荧光激光雷达后向散射函数这两个未知数，导致对水体生物光学特性剖面的演算仍存在一定困难
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服
技术介绍
中存在的上述缺陷或问题，提供一种水体叶绿素浓度剖面反演方法和激光雷达探测方法，该反演方法可从一次测量中反演水体叶绿素浓度
。
[0006]为达成上述目的，本专利技术及其优选实施例采用如下技术方案但实施例不限于下述方案：
[0007]一种水体叶绿素浓度剖面反演方法，其包括：获取目标区域特定深处的激光雷达探测回波信号，其包括荧光通道和拉曼通道；将荧光通道的后向散射信号廓线表示为包括荧光后向散射系数的函数；将拉曼通道的后向散射信号廓线表示为包括拉曼后向散射系数的函数；以拉曼通道的后向散射信号廓线函数对荧光通道的后向散射信号廓线函数进行归一化，得到归一化信号；基于扰动法反演荧光后向散射系数；基于反演得到的荧光后向散射系数，反演特定激光波长下的叶绿素荧光吸收系数；基于反演得到的叶绿素荧光吸收系数，反演水体中叶绿素浓度廓线
。
[0008]进一步的，荧光通道的后向散射信号廓线表示为：
[0009][0010]其中：
P
f
为发射激光波长为
λ
L
，荧光波长为
λ
f
时，深度
z
处接收的激光雷达水体荧光回波信号；
H
为激光雷达的离水高度；
B
f
为激光雷达系统中不随探测距离变化的常数，其至少包括激光雷达的发射功率
、
探测器的量子效率
、
光学系统发射与接收信号的透过率；
Q
f
(z)
为几何重叠因子；
β
f
为荧光散射的后向散射系数；
g(
λ
f
,
σ
f
)
为荧光滤波器的透过率函数，其符合中心波长为
λ
f
，带宽为
σ
f
的高斯函数；为
λ
L
处的激光雷达光束衰减系数；为
λ
f
处的激光雷达光束衰减系数
。
[0011]进一步的，拉曼通道的后向散射信号廓线表示为：
[0012][0013]拉曼后向散射系数表示为：
[0014][0015]其中：
P
r
为发射激光波长为
λ
L
，拉曼波长为
λ
r
时，深度
z
处接收的激光雷达水体拉曼回波信号；
B
r
为激光雷达系统中不随探测距离变化的常数，其至少包括激光雷达的发射功率
、
探测器的量子效率
、
光学系统发射与接收信号的透过率；
Q
r
(z)
为几何重叠因子，
Q
r
(z)
＝
Q
f
(z)
；
β
t
为拉曼后向散射系数
β
r
与荧光后向散射系数
B
f
之和，即
β
t
＝
β
r
+
β
f
；
g(
λ
r
,
σ
r
)
为拉曼滤波器的透过率函数，其符合中心波长为
λ
r
，带宽为
σ
r
的高斯函数；为
λ
r
处的激光雷达光束衰减系数；
b
R
为发射激光波长为
λ
L
，接收拉曼波长为
λ
r
时水分子的拉曼散射系数；
f
R
为拉曼波长分布函数；为拉曼散射相函数
。
[0016]进一步的，归一化信号表示为：
[0017][0018]其中：
[0019]进一步的，基于扰动法反演荧光后向散射系数的步骤包括：
[0020]将归一化信号表示为：
[0021][0022]其中：
β
f
(
λ
f
,z0)、
β
t
(
λ
r
,z0)、
分别为
β
f
、
β
t
和中不随深度变化的部分，
β
f
′
(
λ
f
,z)、
β
t
′
(
λ
r
,z)、
分别为
β
f
、
β
t
和中随深度变化的部分，
z0为激光雷达探测回波信号中第一个点所处的深度；
[0023]当忽略扰动项时，归一化信号可以表示为：
[0024][0025]假设通过实验标定确定比值
B
f
/B
r
，将
β...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种水体叶绿素浓度剖面反演方法，其特征是，包括：获取目标区域特定深处的激光雷达探测回波信号，其包括荧光通道和拉曼通道；将荧光通道的后向散射信号廓线表示为包括荧光后向散射系数的函数；将拉曼通道的后向散射信号廓线表示为包括拉曼后向散射系数的函数；以拉曼通道的后向散射信号廓线函数对荧光通道的后向散射信号廓线函数进行归一化，得到归一化信号；基于扰动法反演荧光后向散射系数；基于反演得到的荧光后向散射系数，反演特定激光波长下的叶绿素荧光吸收系数；基于反演得到的叶绿素荧光吸收系数，反演水体中叶绿素浓度廓线
。2.
如权利要求1所述的一种水体叶绿素浓度剖面反演方法，其特征是，荧光通道的后向散射信号廓线表示为：其中：
P
f
为发射激光波长为
λ
L
，荧光波长为
λ
f
时，深度
z
处接收的激光雷达水体荧光回波信号；
H
为激光雷达的离水高度；
B
f
为激光雷达系统中不随探测距离变化的常数，其至少包括激光雷达的发射功率
、
探测器的量子效率
、
光学系统发射与接收信号的透过率；
Q
f
(z)
为几何重叠因子；
β
f
为荧光散射的后向散射系数；
g(
λ
f
，
σ
f
)
为荧光滤波器的透过率函数，其符合中心波长为
λ
f
，带宽为
σ
f
的高斯函数；为
λ
L
处的激光雷达光束衰减系数；为
λ
f
处的激光雷达光束衰减系数
。3.
如权利要求2所述的一种水体叶绿素浓度剖面反演方法，其特征是，拉曼通道的后向散射信号廓线表示为：拉曼后向散射系数表示为：其中：
P
r
为发射激光波长为
λ
L
，拉曼波长为
λ
r
时，深度
z
处接收的激光雷达水体拉曼回波信号；
B
r
为激光雷达系统中不随探测距离变化的常数，其至少包括激光雷达的发射功率
、
探测器的量子效率
、
光学系统发射与接收信号的透过率；
Q
r
(z)
为几何重叠因子，
Qr(z)
＝
Q
f
(z)
；
β
t
为拉曼后向散射系数
β
r
与荧光后向散射系数
B
f
之和，即
β
t
＝
β
r
+
β
f
；
g(
λ
r
，
σ
r
)
为拉曼滤波器的透过率函数，其符合中心波长为
λ
r
，带宽为
σ
r
的高斯函数；为
λ
r
处的激光雷达光束衰减系数；
b
R
为发射激光波长为
λ
L
，接收拉曼波长为
λ
r
时水分子的拉曼散射系数；
f
R
为拉曼波长分布函数；为拉曼散射相函数
。4.
如权利要求3所述的一种水体叶绿素浓度剖面反演方法，其特征是，归一化信号表示为：
其中：
5.
如权利要求4所述的一种水体叶绿素浓度剖面反演方法，其特征是，基于扰动法反演荧光后向散...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官明佳，郭怡蕊，廖卓阳，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：