基于激光诱导荧光的海洋环境参量遥感探测技术研究

发布时间：2020-11-21 17:06

　　 激光诱导荧光(LIF)技术是一种主动光学探测技术,激光激发水中荧光物质产生荧光,通过分析荧光信息可快速获取水中溢油、有色可溶性有机物(CDOM)、叶绿素a等物质的品类及含量信息,是监测水体成分最有效的分析技术之一并迅速发展。目前已发展的LIF探测设备主要有基于机载、船载、岸基平台的荧光雷达和原位LIF探测设备。其中荧光雷达可通过遥感方式快速大面积监测海洋水生环境,但设备一般复杂庞大、造价高昂、需要专业人员操作及维护;船载和岸基的原位LIF探测设备具有灵敏度高、造价低的特点而被应用于水体成分的定性及定量分析,但测量速度慢,不利于海洋水生环境的大面积快速监测。目前国内外尚未见可遥感监测的小型便携LIF探测设备,根据LIF雷达的研究现状,本文对小型便携式及可无人机载的LIF探测系统进行了深入的研究。本论文依据荧光雷达探测原理,研究了海水成分对海水固有光学性质的影响,计算了双向反射分布函数与海水成分的依赖关系,提出包含荧光的双向反射再辐射分布函数并推导了荧光雷达方程,设计了小型便携的LIF雷达监测系统,采用一种实时背景扣除算法获得了高信噪比高帧率荧光光谱数据,研制了可无线远程遥控的无人机载LIF监测系统。本文的主要研究内容如下:(1)理论研究了荧光雷达探测的原理,介绍了荧光雷达探测中的重要参数。根据Mie散射理论计算了溢油海水的固有光学性质,采用实验经验模型计算了不同叶绿素含量海水的固有光学性质。(2)介绍了海水的双向反射分布函数并引出包含荧光的双向反射再辐射分布函数。根据海水的固有光学性质计算了水体成分对双向反射分布函数的影响,并通过双向反射再辐射分布函数的计算建立荧光雷达方程,为荧光雷达探测提供理论指导。(3)设计了一台便携式LIF雷达系统,主要包括发射接收系统和信号控制与处理系统的设计。对系统进行小型化紧凑设计,设计了准直发射光学系统和直视色散系统。为LIF雷达系统编写了软件应用程序及数据处理算法,完成了系统的同步控制及数据采集处理。(4)为进一步提高荧光雷达系统工作性能,设计了基于选通ICCD的LIF雷达系统。选择三个405nm半导体激光器合束获得了峰值功率4W左右的激光输出以提高机载遥感监测距离,并为系统设计了双向无线通信模块。为LIF雷达系统编写高速实时背景扣除算法,实现了荧光光谱信号的快速实时高信噪比获取。设计的LIF雷达系统总重量仅5kg,满足小型无人机挂载飞行要求。(5)利用研制的LIF雷达系统在室内及外场进行了一系列实验测试,测量了不同水样本、不同油样本的荧光光谱并进行了定性及定量分析。分别在中国山东威海靖子、小石岛沿岸海域进行了岸基实验研究,验证了系统对水体成分及水中污染物的快速检测能力。采用样品水池及无人机测试了LIF雷达系统,并在山东威海北海沿岸海域进行了机载飞行实验,系统稳定性好,可迅速获取水体的荧光信息,验证了无人机载LIF雷达系统的遥感探测能力。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：X87
【部分图文】：

光雷达国内外发展现状0 年代初，美国和加拿大的研究人员首先提出可谱实现对油品种类的遥感探测[19]。自激光诱导积极发展机载海洋荧光光雷达以实现对海洋水生术和电子技术的迅速发展，体积小、重量轻的备尺寸及能耗，同时灵敏度高的光电探测器也化的发展。多大学的 Measures 和 Bristow 首先于 1971 年研F。随后，加拿大紧急事件科技部（ESTD）致力改荧光雷达系统 SLEAF，如图 1-1 所示为该系统m XeCl 激光器为激发光源，激光脉冲重复频率 4接收系统采用 64 通道二极管阵列，采用选通探EAF 系统能做到全光谱的实时分辨，系统搭载实现对轻油污斑点的成功检测[45, 46]。

哈尔滨工业大学工学博士学位论文美国 NASA 成员 Fantasia 和 Ingrao 于 1974 年成功研制了探测海面污染的荧光雷达，并在实验室内对多种油进行了测量。1975 年，NASA 和 NO合研制了适合全天候监测的机载荧光雷达系统 AOL，它的第三代系统 AO重量、体积不到 AOL1 的 10%，系统重量 90kg 能够装载于小飞机以进行海油测量。AOL 系统其发射光源采用波长为 337.1nm 氮分子激光，重复频Hz，脉冲宽度 10ns，最大输出功率可达 100kW，接收通道为 40 通道，光辨率为 11.25nm。AOL 系统可以进行一系列的海洋和陆地测量工作：包括厚度测量、海底测绘、海表浮游植物及叶绿素测量等[47, 48]。AOL3 系统不级改进，图 1-2 为升级改进的 AOL3 系统示意图。系统的光电探测器采用型 CCD 相机为光电探测器，可实现光谱范围 400-800nm 的高光谱分光。的激光光源为 OPO 激发源和 YAG 激光器，其中光学参量振荡器激发源分 435nm、450nm、460nm、478nm、495nm、540nm 几个波段，重复频率 20脉冲能量 1mJ；YAG 激发光源波长 532nm，重复频率为 5Hz，单脉冲能0mJ。该系统主要用于对叶绿素及藻红蛋白的监测。

图 1-4 立陶宛船载荧光雷达系统[60]Fig.1-4 Shipborne fluorescent LiDAR system of Lithuania[60Stephanie 等人采用俄罗斯科学院海洋学研究所研制UFL）对 Balaton 湖浑浊水域进行了水质监测，其统采用 355nm 的 Nd:YAG 激光器，激光脉冲能量对 1.5m-25m 距离的水体进行监测，测量倾角 10-60一般每 1-5m 测量一次。采用 11 通道光电倍增管（光信号，检测的通道分别为 651nm、620nm、532nm、m、404nm、385nm 和 355nm。该 UFL 系统可以实 以及总悬浮物的测量。
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本文编号：2893324