【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光雷达，尤其是涉及一种探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达及方法。
技术介绍
1、有色可溶性有机物(cdom,chromophoric dissolved organic matter)作为天然水体溶解性有机物储库中主要的光敏感组分，强烈吸收紫外光和部分可见光，能阻止紫外线对浮游生物的有害影响，有效提高海洋初级生产力。cdom在吸收紫外辐射后，易发生光化学降解，释放co2，ch4等温室气体，加剧全球变暖，其产生和迁移转化过程影响着碳、氮、磷等元素的地球化学循环。因此，研究cdom在海洋中的时空分布对于海洋监测及研究全球碳循环具有重要意义。
2、目前探测cdom的手段主要有浮标测量、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。
3、公开号为cn105486664a的中国专利文献公开了一种探测海洋浮游植物生物量和颗粒物有机碳的装置及方法，基于高光谱分辨率激光雷达，利用海洋浮游植物生物量和poc反演方法，能够实现浮游植物生物量和poc的同步反演。公开号为cn114325656a的中国专利文献公开了一种探测水体生物光学特性剖面的激光雷达及方法，依靠激光雷达不同通道的偏振信息和拉曼荧光信息测量叶绿素浓度。然而，由于com光学特性的测量依赖于对叶绿素浓度的测量，而两者的光学吸收并不在同一个波长，现在的单一频率激光雷达无法测到cdom光学特性信息
4、公开号为cn112034480a的中国专利文献公开了一种双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法，基于双波长海洋高光谱分辨率激光雷达，根据水体吸收公式建立了叶绿素浓度和cdom浓度的反演模型，通过建立参数相对误差的评价方法，对激光雷达的两个波长进行择优，获得最佳的叶绿素和cdom吸收系数反演模型，然而双频率的激光雷达体积更大价格更高。
5、因此，亟需提供一种结构简单且能够高精度探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达及方法。
技术实现思路
1、为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达及方法，可以实现海洋有色可溶性有机物光学特性的快速、准确检测。
2、一种探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达，包括激光发射系统、四通道信号接收系统和数据采集处理系统；
3、所述激光发射系统包括带锁频的固体脉冲激光器、反射镜与格兰激光棱镜；其中，固体脉冲激光器锁频在与四通道信号接收系统中的高光谱分辨率鉴频器匹配的工作波长，用于向水体发射脉冲激光；反射镜用于调整脉冲激光出射方向，格兰激光棱镜用于提高脉冲激光偏振度；
4、所述四通道信号接收系统包括四个独立的接收通道，每个接收通道均包括望远镜、视场光阑、会聚透镜、光电探测器；其中，第一接收通道在对应的望远镜之前布置有单通道高光谱分辨率鉴频器，第二接收通道、第三接收通道和第四接收通道在对应的望远镜之前布置有干涉滤光片；单通道高光谱分辨率鉴频器用于滤除接收到的回波信号中的米散射信号、瑞利散射信号和其他波长信号，只留下布里渊散射信号；干涉滤光片用于抑制目标波长以外的光信号，望远镜用于收集来自水体的回波光信号，会聚透镜用于准直接收的光信号，视场光阑用于调整视场角大小，光电探测器用于将光信号转化为电信号；
5、所述数据采集处理系统包括数据采集卡和计算机；其中，数据采集卡用于采集来自激光发射系统的光触发信号和来自四通道接收系统的回波模拟电信号，并将模拟电信号转化为数字电信号；计算机用于控制激光雷达各模块，及根据采集到的电信号反演水体有色可溶性有机物光学特性。
6、进一步地，所述的激光发射系统中，反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，其中，第一反射镜的反射面与固体脉冲激光器出光方向呈45°设置，第二反射镜的反射面与第一反射镜的反射面平行设置，格兰激光棱镜的进光面与第二反射镜的反射面呈45°设置，格兰激光棱镜的出光面平行于水平面设置。
7、进一步地，所述的四通道信号接收系统中，各接收通道中望远镜的入光面平行于水平面设置，单通道高光谱分辨率鉴频器和干涉滤光片设置于望远镜下方，视场光阑中心设置于望远镜和会聚透镜焦平面，会聚透镜设置于视场光阑上方，光电探测器设置于会聚透镜上方；四通道信号接收系统的接收通道光轴与激光发射系统的发射通道光轴平行且相邻。
8、进一步地，所述的激光发射系统采用工作波长为532nm、单脉冲能量不小于5mj、脉冲宽度不大于10ns的固体脉冲激光器，锁频在与高光谱分辨率鉴频器匹配的工作波长；
9、四个接收通道的视场角设置为不小于200mrad；第二接收通道中采用中心波长为532nm且带宽不超过10nm的干涉滤光片；第二接收通道和第三接收通道中分别采用中心波长为650nm和685nm且带宽不超过20nm的干涉滤光片；
10、四个接收通道中的光电探测器采用光谱响应范围在185～730nm、典型阴极光照灵敏度不低于120μa/lm且上升时间不超过2.2ns的光电倍增管；
11、数据采集处理系统中采用采样率不低于400msa/s且量化位数不低于12位的数据采集卡。
12、一种探测水体有色可溶性有机物光学特性的方法，采用上述激光雷达，其中，深度为z处的水体产生的激光雷达信号在经过环境参数、系统参数与距离平方校正后，表示为
13、
14、
15、
16、
17、式中，b表示经过系统环境参数与距离平方校正后的激光雷达信号，下标p、c、m、r、f分别表示颗粒信号、混合信号、分子信号、拉曼信号和荧光信号，t表示鉴频器透过率，βπ表示180°体散射函数，klidar表示激光雷达衰减系数，上标650、685表示相应的波长，没有上标时表示波长为532nm，nw为水分子浓度，nchla为叶绿素分子浓度，σw为纯水的拉曼散射截面，σchla为叶绿素分子荧光发射截面，为水分子在650nm处的180°体散射函数；
18、具体包括以下步骤：
19、步骤s1，对高光谱分辨率鉴频器透过率进行定标，在实验室条件下测量鉴频器对鉴频波长信号和其他波长信号的透过率，得到tm与tp；
20、步骤s2，根据探测到的激光雷达混合通道信号bc与激光雷达分子通道信号bm，结合在步骤s1中得到的鉴频器透过率，得到532nm的激光雷达衰减系数klidar(z)；
21、步骤s3，对激光雷达探测水体表层叶绿素浓度的比例系数a进行定标，将使用原位仪器通过实验室荧光法得到的水表叶绿素浓度nchla(0)和在相同水域探测到的激光雷达荧光通道信号水表值bf(0)与拉曼通道信号水表值br(0)的比值进行线性拟合，得到比例系数a；
22、步骤s4，假设在探测到的水体中叶绿素浓度和在相同水域探测到的激光雷达荧光通道信号本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达，其特征在于，包括激光发射系统(1)、四通道信号接收系统(2)和数据采集处理系统(3)；
2.根据权利要求1所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达，其特征在于，所述的激光发射系统(1)中，反射镜包括第一反射镜(1-2-1)和第二反射镜(1-2-2)，其中，第一反射镜(1-2-1)的反射面与固体脉冲激光器(1-1)出光方向呈45°设置，第二反射镜(1-2-2)的反射面与第一反射镜(1-2-1)的反射面平行设置，格兰激光棱镜(1-3)的进光面与第二反射镜(1-2-2)的反射面呈45°设置，格兰激光棱镜(1-3)的出光面平行于水平面设置。
3.根据权利要求1所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达，其特征在于，所述的四通道信号接收系统(2)中，各接收通道中望远镜的入光面平行于水平面设置，单通道高光谱分辨率鉴频器(2-1-1)和干涉滤光片设置于望远镜下方，视场光阑中心设置于望远镜和会聚透镜焦平面，会聚透镜设置于视场光阑上方，光电探测器设置于会聚透镜上方；四通道信号接收系统(2)的接收通道光轴与激光
4.根据权利要求1所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达，其特征在于，所述的激光发射系统(1)采用工作波长为532nm、单脉冲能量不小于5mJ、脉冲宽度不大于10ns的固体脉冲激光器(1-1)，锁频在与高光谱分辨率鉴频器(2-1-1)匹配的工作波长；
5.一种探测水体有色可溶性有机物光学特性的方法，其特征在于，采用权利要求1～4任一项所述的激光雷达，其中，深度为z处的水体产生的激光雷达信号在经过环境参数、系统参数与距离平方校正后，表示为
6.根据权利要求5所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的方法，其特征在于，步骤S2中，532nm的激光雷达衰减系数klidar(z)表示为
7.根据权利要求5所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的方法，其特征在于，步骤S4中，叶绿素浓度值nchla(z)表示为
8.根据权利要求5所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的方法，其特征在于，步骤S6中，激光雷达衰减系数表示为
9.根据权利要求5所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的方法，其特征在于，步骤S7中，在532nm和650nm处的CDOM吸收系数与表示为
10.根据权利要求5所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的方法，其特征在于，步骤S8中，CDOM吸收系数公式中的比例系数S(z)表示为
...【技术特征摘要】
1.一种探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达，其特征在于，包括激光发射系统(1)、四通道信号接收系统(2)和数据采集处理系统(3)；
2.根据权利要求1所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达，其特征在于，所述的激光发射系统(1)中，反射镜包括第一反射镜(1-2-1)和第二反射镜(1-2-2)，其中，第一反射镜(1-2-1)的反射面与固体脉冲激光器(1-1)出光方向呈45°设置，第二反射镜(1-2-2)的反射面与第一反射镜(1-2-1)的反射面平行设置，格兰激光棱镜(1-3)的进光面与第二反射镜(1-2-2)的反射面呈45°设置，格兰激光棱镜(1-3)的出光面平行于水平面设置。
3.根据权利要求1所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达，其特征在于，所述的四通道信号接收系统(2)中，各接收通道中望远镜的入光面平行于水平面设置，单通道高光谱分辨率鉴频器(2-1-1)和干涉滤光片设置于望远镜下方，视场光阑中心设置于望远镜和会聚透镜焦平面，会聚透镜设置于视场光阑上方，光电探测器设置于会聚透镜上方；四通道信号接收系统(2)的接收通道光轴与激光发射系统(1)的发射通道光轴平行且相邻。
4.根据权利要求1所述的探测水体有色可溶性有机物光学特性的激光雷达...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，蒋铖冲，周雨迪，徐沛拓，吴虹达，赵泓楷，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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