浙江大学刘东教授团队及合作者在海洋激光雷达研究中取得了新进展。团队研制了一套用于遥感海水光学特性的船载海洋激光雷达系统，并在黄海进行了探测实验；综合对比了实测数据与半解析蒙特卡罗（MC）仿真数据，得到了较好的吻合度。

海洋激光雷达是一种可探测海水光学特性垂直分布的主动式遥感仪器，可实现海面以下数十米范围内海水光学参数的全天时探测。特别是，搭载在星载平台的海洋激光雷达将可探测包括极区在内的全球海域，有力地克服了水色遥感卫星难以实现弱光照探测、极区探测、剖面探测等不足，正逐渐成为构建海洋立体观测网络的重要组成部分。然而，激光自发射到接收，在海水中经历了各类组分吸收、散射等多个复杂过程，特别是强烈的多次散射效应，使得海洋激光雷达的正反演理论也极为复杂，迫切需要对探测结果进行精度验证。

为此，刘东教授团队研制了一套原理结构如图1(a)、实物如图1(b)所示的海洋激光雷达，并在黄海海域进行了海试实验，获得了大量固定站点数据和走航数据。在固定站点观测时，采用原位仪器同步测量水体的固有光学参数，为海洋激光雷达的正反演及精度验证提供原始数据。

图 1 (a)研制的海洋激光雷达系统结构示意图；(b)海洋激光雷达在黄海进行实验。

考虑到多次散射效应，由激光雷达回波信号反演得到的激光雷达衰减系数α不仅与海水特性有关，还受到激光雷达系统参数的影响。理解α的物理意义对从中提取有效的光学信息至关重要。已有研究表明，α在足够大视场角情况下近似于漫射衰减系数Kd，在足够小视场角情况下趋近于光束衰减系数c。然而，该经验结论不仅存在近似误差，还因为实际视场角往往介于“足够大”和“足够小”之间而难以应用。

为此，建立了海洋激光雷达MC仿真模型，对不同视场角下海洋激光雷达探测的准确性进行评估。结果表明，在200 mrad的大视场情况下，采用MC方法对激光雷达信号反演得到的α进行验证，相对误差比以往“经验结论”降低了40%；在50~200 mrad内若干视场下，MC方法可以较好地验证α的准确性，而这是采用“经验结论”难以实现的。

图 2 (a)大视场下α可采用Kd近似法和MC法进行验证，相对误差分别为17.51%和10.55%；(b)不同视场角下α可由MC法验证，但无法用近似法验证。

该工作验证了理论和实验的一致性，表明了激光雷达系统遥感探测海水光学特性的可行性，为未来海洋激光雷达在海洋探测研究发挥重要作用奠定了基础。

相关研究成果以“Lidar Remote Sensing of Seawater Optical Properties: Experiment and Monte Carlo Simulation”为题发表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing(Volume: 57 , Issue: 11 , Nov. 2019)上，浙江大学刘东教授为论文的第一作者，浙江大学为论文第一完成单位，合作单位包括中科院上海光机所、国家海洋技术中心、自然资源部第二海洋研究所、牛津大学、国家卫星海洋应用中心。

论文链接：https://doi.org/10.1109/TGRS.2019.2926891