1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 宇航智能控制技术国防科技重点实验室，北京 100089
4 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012
5 中国科学院大学杭州高等研究院物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
针对水下鬼成像重构质量下降、分辨率退化的问题，分析水体对散斑场传播的作用，提出在重构计算前将参考臂散斑进行校正的方法，以实现对物臂散斑场的退化补偿，进而提高水下鬼成像的成像质量。首先根据近似的S-S（Sahu-Shanmugam）散射相函数和Wells模型推导得到调制传递函数，用来描述水体对散斑的退化作用；然后对参考臂散斑场进行校正补偿，使参考臂散斑与物臂散斑具有相同的退化程度以恢复关联性；最后采用校正后的参考臂散斑进行图像重构。从理论上证明了所提方法在二阶关联计算中会使得图像退化加剧，而在基于伪逆的重构计算中则可以有效提高图像分辨率、改善图像质量。通过仿真和实验验证了理论模型的正确性，该研究为远距离水下目标鬼成像图像恢复提供了新的思路。
海洋光学 水下鬼成像 散斑场退化补偿 水体调制传递函数 二阶关联 伪逆
1 浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021
2 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012
针对国内尚没有大角度范围的水体颗粒偏振体散射函数测量仪的问题，基于潜望镜式光路结构与旋转偏振探测器的探测方式，建立了水体颗粒偏振体散射特性测量系统，验证了采用半衰片胶合方式的出射棱镜对大角度偏振体散射特性测量的适用性，实现了10°~170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵的测量。对系统开展了角度、幅值及偏振标定，根据系统结构和水下传输原理进行了散射光程归一化和水下衰减矫正。实验结果表明，3 μm直径聚苯乙烯标准颗粒测量结果与理论计算值吻合良好，证明了该套系统的可靠性。同时在千岛湖自然水体对该套系统进行了测试验证，获得的水体颗粒物10°~170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵测量结果表明偏振体散射特性能够提供更丰富的颗粒特性信息。
水体颗粒 偏振 穆勒矩阵 体散射函数 光学学报
2023, 43(18): 1829002
1 青岛海洋科学与技术试点国家实验室“观澜号”海洋科学卫星工程部, 山东 青岛 266237;
2 中国海洋大学信息科学与工程学部, 山东 青岛 266100
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
4 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 浙江 杭州 310012
5 清华大学深圳国际研究生院, 广东 深圳 518055
垂向层化是海洋水体的基本特征之一,几乎所有海洋学科的测量与分析都需要直接或间接的剖面信息。激光雷达是目前唯一可以遥感方式获得百米级海洋剖面信息的手段,激光雷达水体回波信号主要受水分子与水体颗粒物吸收、散射作用的共同影响。从激光雷达的后向180°散射信号中反演水体颗粒物成分时,活体浮游植物及其降解物、无机颗粒(悬浮泥沙)、浮游动物、气泡等颗粒物在粒径、组分、形状、内部结构等方面的复杂性决定了水体光学特性的复杂性。180°处的体散射系数β(π)是激光雷达水体探测的基本参数,然而不同浮游植物颗粒的散射相函数在180°处相差10倍。目前的模拟仿真中采用的仅具有普适意义的Petzold体散射函数或Voss & Fry穆勒矩阵偏振参数,与具体的遥感探测水体的体散射函数或穆勒参数有很大的差别。针对这个激光雷达中最重要的基础性问题之一,也是主被动光学海洋观探测中的基本问题,进行了综述,并参考国际相关研究人员近些年的一些研究成果,试图提出后续应当重点解决的理论与技术问题。
光学学报
2022, 42(12): 1200001
1 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 自然资源部第二海洋研究所, 卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 浙江 杭州 310012
4 安徽师范大学物理与电子信息学院, 安徽 芜湖 241000
涡动相关法作为直接观测湍流运动的方法,是研究潜热通量和CO2通量的重要手段。本团队基于可调谐半导体激光吸收光谱技术研制了激光气体分析仪,用于涡动相关法的海气通量分析。选用7181 cm -1处的H2O吸收谱线和4990 cm -1处的CO2吸收谱线,利用信号采集处理技术及导数谱浓度反演方法实现100 Hz时间分辨率的目标气体浓度的计算,并根据计算结果评估得到H2O分析仪的检测限约为8.17×10 -6,CO2分析仪的检测限约为0.40×10 -6,时间分辨率为100 Hz。将集成的气体分析仪安装在烟台国家卫星海洋定标海上平台上进行真实的海气通量探测,并将探测结果与LICOR7500-H2O/CO2分析仪的测量结果进行了对比。从实验结果看,所研制的激光气体分析仪具有更高的时间分辨率,更易捕捉湍流运动的微小变化,具有广阔的应用前景。
光谱学 气体分析仪 涡动相关法 通量探测 中国激光
2021, 48(11): 1111001
1 浙江大学 海洋学院, 浙江 舟山 316021
2 自然资源部第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 浙江 杭州 310012
针对现有体散射测量系统中激光器与探测器相互遮挡导致探测角度减小的问题, 设计了一款新型的水中颗粒物的体散射函数测量系统。首先, 通过双潜望式光路结构, 将激光发生平面与散射探测平面分离, 减小了激光器对探测角度的遮挡; 同时, 通过潜望式出射棱镜将透射光导出水体, 避免了容器的杯壁散射, 提高背散射测量的准确性。根据实际工艺, 改进出射棱镜, 设计系统样机, 实现了3°~178°大角度范围体散射函数的测量。结合系统结构与水下光传输原理, 根据数据矫正算法, 矫正由于测量光程及水体衰减造成的偏差。对比矫正后结果与米散射仿真结果, 证明方法的可靠性。
大角度范围散射测量 水中颗粒 体散射函数 米散射 wide angle range scattering measurement particles in water volume scattering function Mie scattering 红外与激光工程
2020, 49(2): 0203011
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 浙江 杭州 310012
针对水色卫星遥感器的紫外波段,利用海洋-大气耦合矢量辐射传输模型开展了355 nm和385 nm两个紫外波段大气顶(TOA)表观辐射的偏振特性分析。研究发现水色卫星紫外遥感器入瞳处光的偏振信号主要来源于大气分子散射,与仅考虑大气分子散射相比,气溶胶、水-气界面层和水体会减弱紫外遥感器入瞳处光的总偏振度(DOP)。在不同的大气顶观测方位下,上述两个波段紫外光的总偏振度变化范围在0%~70%之间。同水色卫星遥感器通常设置的412 nm可见光波段相比,在同一条件下到达水色卫星紫外遥感器入瞳处的紫外光的偏振度变化不大。
大气光学 紫外 偏振 海洋水色
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 空间激光传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 自然资源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012
4 山东科技大学, 山东 青岛 266590
机载激光雷达的海陆波形分类对于沿海地区及其变化性质的研究至关重要。提出了一种在原始的机载激光雷达回波上使用深度学习进行分类的方法。构建全连接神经网络和一维卷积神经网络(CNN), 在一个测量海域的数据集上进行训练和测试, 最优模型获得了99.6％的分类精度。该最优模型对来自不同测量海域的数据进行分类, 分类精度达到了95.6％,相比支持向量机方法, 处理速度提高了约52%。结果表明: 深度学习方法对机载激光雷达回波波形的分类具有较高的精度和速度, 它可以进一步作为通过机载激光测深技术对海底种类进行分类的候选方法。
海洋测深 激光雷达 分类 深度学习 bathymetry lidar classification deep learning 红外与激光工程
2019, 48(11): 1113004
1 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院空间激光信息传输与探测技术实验室, 上海 201800
4 上海大恒光学精密机械有限公司, 上海 201800
5 杭州中科天维科技有限公司, 上海 201800
6 山东科技大学, 山东 青岛266590
7 国家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012
8 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100094
9 北京林业大学, 北京 100083
针对林业、建筑、近海、岛礁和滩涂的测绘要求, 中国科学院上海光学精密机械研究所开发了具有自主知识产权的机载双频激光雷达产品样机, 可以同时完成对陆地地形和海底地形进行测绘。该样机在三亚蜈支洲岛进行了飞行试验, 最大探测深度达到30 m, 等效一类水质条件下可达50 m, 最小探测深度达到0.22 m, 测深数据和单波束声呐数据对比中误差为0.108 m, 实地测量数据和陆地点云量测数据比对中误差为0.18 m, 试验结果基本符合设计预期, 为进一步产品定型打下了良好的基础。
双频激光雷达 海洋测绘 海底地形 dual-frequency lidar ocean mapping seabed topography 红外与激光工程
2018, 47(9): 0930001
国家海洋局第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重实验室, 浙江 杭州 310012
水体可溶性有机物(也叫黄色物质, CDOM), 直接影响水体光学特性和遥感光谱特征, 在水体生态系统、光学遥感、海洋碳循环中都发挥重要的作用。针对现有水体黄色物质(CDOM)常规测量需要对水样进行过滤等耗时耗力预处理过程, 研制了一种水体黄色物质快速测量的可用于实验室及野外分析的激光诱导荧光仪, 该仪器集成了405 nm 激光激发、高光谱接收和特征荧光光谱解析技术, 使得激光雷达能够从各种成分的叠加信号中分离和确认出特定组分。此外, 在实验室测量和分析了温度对于CDOM荧光光谱的影响, 并提出了一种荧光数据的温度校正算法。该仪器在中国东海2013年4月的测量结果与常规仪器测量结果具有显著的相关性(R2=0.83), 揭示了激光诱导荧光技术在CDOM实时监测上的应用潜力。
激光诱导荧光 光谱学 拉曼 laser induced fluorescence spectroscopy Raman 红外与激光工程
2018, 47(9): 0903004
1 国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 浙江 杭州 310012
2 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
3 山东科技大学测绘科学与工程学院, 山东 青岛 266590
4 中国海监南海航空支队, 广东 广州 510310
综合了已有的机载激光雷达测深系统的波形处理方法。基于国产多通道海洋激光雷达波形数据的多通道优势，运用去卷积、数值拟合和信号滤波等波形处理方法，针对不同类型的波形，提出了一套适用于国产硬件的波形处理方法。该方法可保证回波位置提取的稳健性。
遥感 激光雷达 测深系统 波形处理 波形分类 去卷积 数值拟合 信号滤波 激光与光电子学进展
2018, 55(8): 082808
