星载激光雷达海洋遥感原理

本书讲述星载海洋激光遥感原理，系统论述星载海洋激光雷达的探测原理、辐射传输理论、模拟仿真技术、遥感反演模型，在星载激光雷达遥感理论和模型基础上，论证我国星载海洋激光雷达系统的需求分析和主被动耦合碳探测配置方案。全书分为5章，即绪论、星载海洋激光雷达辐射传输理论与仿真模型、星载海洋激光雷达水体剖面反演模型、星载激光雷达遥感仿真系统与需求分析、星载激光雷达与被动耦合碳探测配置方案分析。

本书可作为高等学校海洋技术类、光学工程类专业学生的参考书，也可供其他专业学习海洋激光遥感的研究生及科技人员参考。

第1章绪论1

1.1引言1

1.2海洋激光雷达基本组成3

1.2.1海洋激光雷达系统结构3

1.2.2发射系统4

1.2.3接收系统4

1.2.4信号采集处理系统5

1.3光子探测海洋激光雷达5

1.4海洋激光雷达方程6

第2章星载海洋激光雷达辐射传输理论与仿真模型9

2.1水体基本光学特性9

2.1.1水体固有光学特性9

2.1.2水体表观光学特性13

2.1.3水体光学模型13

2.1.4粒子散射理论16

2.2风驱粗糙海面模型19

2.2.1粗糙海面概率分布模型19

2.2.2海表反射矩阵20

2.2.3海表透射矩阵23

2.2.4风驱粗糙海面模型验证26

2.3海洋激光雷达半解析析模型27

2.3.1半解析MC辐射传输模型29

2.3.2非弹性散射模型31

2.3.3叶绿素浓度影响34

2.3.4非均匀性水体影响36

2.3.5散射相函数影响37

2.3.6多次散射影响38

2.3.7接收光谱FWHM对荧光和拉曼回波信号的影响44

2.4海洋激光雷达解析模型46

2.4.1海洋激光多次散射辐射传输模型构建46

2.4.2高斯卷积模型50

2.4.3极端条件下的仿真结果52

2.4.4与MC仿真结果的比较53

2.4.5实测结果的验证54

2.4.6多次散射对回波信号的影响54

2.4.7水体光学特性对多次散射的影响55

2.4.8视场角对多次散射的影响56

2.4.9不同散射相函数对回波信号的影响57

2.4.10分层水体仿真结果58

第3章星载海洋激光雷达水体剖面反演60

3.1海洋激光雷达水体剖面反演模型60

3.1.1激光雷达数据预处理60

3.1.2传统反演模型61

3.1.3能量扰动法65

3.2基于能量扰动法的南海浮游植物垂直分布遥感反演85

3.2.1引言85

3.2.2激光雷达系统和飞行试验85

3.2.3结果和讨论89

3.3海洋激光雷达次表层提取算法100

3.3.1IASPLDM的分步流程结果示例102

3.3.2标准方法和改进方法之间的计算比较103

3.3.3浮游植物层检测结果与船载实测结果对比105

3.4.4蜈支洲岛附近海域激光雷达试验数据中的应用107

3.3.5固定阈值与动态阈值的对比108

3.3.6二次线性拟合111

3.4星载ICESat-2海水剖面反演112

3.4.1数据和研究区域112

3.4.2ICESat-2叶绿素a浓度反演流程114

3.4.3水体后向散射光子预处理115

3.4.4叶绿素a浓度的垂直剖面计算117

3.4.5结果和讨论119

3.5边缘海中ICESat-2与MODIS漫衰减系数的一致性分析：中国海案例研究127

3.5.1研究区域128

3.5.2使用数据129

3.5.3数据预处理130

3.5.4评估ICESat-2估算的统计参数132

3.5.5多次散射校正模型建立132

3.5.6MODIS和ICESat-2之间的差异134

3.5.7不同水体类型的激光光雷达多次散射分析136

3.5.8多次散射校正模型的构建137

3.5.9模型在不同区域的表现138

3.5.10原位测量验证139

3.5.11累计距离的影响141

3.5.12与原位测量的比较和模型验证143

3.5.13ICESat-2和MODIS之间不一致分析143

3.5.14MSCM的不确定性分析144

3.5.15小结144

第4章星载激光雷达遥感仿真系统与需求分析146

4.1星载激光雷达仿真系统构建146

4.1.1回波信号模型147

4.1.2大气模型149

4.1.3水体生物光学模型150

4.1.4海表模型和海底模型150

4.1.5信噪比151

4.2星载海洋激光雷达回波信号仿真152

4.2.1模拟探测激光雷达仿真152

4.2.2光子计数激光雷达点云仿真154

4.2.3分层水体仿真结果155

4.2.4最大探测深度和最佳探测波段分析156

4.2.5昼夜探测深度差异159

4.3影响因素分析160

4.3.1激光发射波长160

4.3.2激光脉冲能量162

4.3.3激光入射角164

4.3.4接收系统参数分析164

4.3.5CDOM探测168

4.3.6风驱粗糙海面对激光辐射传输的影响分析169

4.3.7海面泡沫对激光光透射率的影响177

4.3.8星载激光雷达模型验证177

4.3.9人眼安全考量178

4.4混合层探测分析179

4.5星载海洋激光雷达指标需求分析181

第5章星载激光雷达与被动耦合碳探测配置方案分析183

5.1一体化主被动载荷183

5.1.1一体化载荷光学系统耦合184

5.1.2一体化载荷电子学系统耦合186

5.1.3一体化载荷观测模式189

5.2单星搭载主被动独立载荷190

5.2.1单星有效载荷配置190

5.2.2单星卫星服务平台配置192

5.2.3GEO主被动遥感卫星构思193

5.3主被动卫星组网194

5.4主被动探测目标匹配195

5.5主被动融合方案对比196

参考文献198