华中科技大学
硕士学位论文
blesdly红外脉冲激光在海水信道中的光学传输特性研究
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：通信与信息系统
指导教师：***
20070606
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
Abstract
The transmission characteristics of lar in the water channels have important significance to marine d
etecting by airborne lidar. They determine the energy and intensity distribution changes, and they also decide the features of the lar Echo.
With the development of new Infrared technology, many of the major lar devices can work in the infrared band. Airborne lar and communications can be achieved in the infrared band, and have higher resolution and greater information content. So, the interest of marine exploration by infrared lar is growing. By now, airborne infrared lar has been widely ud to detect underwater temperature, depth and underwater target detection and marine pollution and many other fields. Therefore, the study on infrared pul lar optical transmission characteristics in the a channel appears to be particularly important.过去分词作定语
Bad on the analysis of absorption and scattering properties of optical signals in water, the absorption and scattering characteristics of the non-algae suspended matters and phytoplankton in the infrared spectrum are detailed discusd, and the scattering efficiency factor and scattering coefficient calculation model in the infrared spectrum are achieved too. Ultimately, the optical transmission characteristics infrared pul lar in water channels is concluded. It provides a theoretical basis and technological support for the practical u of infrared pul lar ocean survey.
In addition, the paper also prents a thinking for red tide monitoring by airborne infrared lar. Bad on the transmission characteristics of infrared lar in the water, the detection model by infrared lar is established. By analyzing lar backscattering signal, the scattering coefficient of red-tide algae is achieved. Then, according the relationship between scattering coefficient and the algae density, the algae density is achieved also. The density of algae particles directly indicates the dynamics of red tide, therefore, the red tide can be forecasted. Finally, with the data of the historical occurrence of red tide, the detection model is simulated and computation, the feasibility and effectiveness is analyzed too.
Keywords: Airborne Oceanic lidar; Oceanic Monitor; Light absorption; Light scattering
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1 绪论
1.1 研究激光在海水中传输特性的意义
海洋占地球表面2/3以上，在人类经济和社会发展中有重要的地位。按海洋的光学性质主要划分为一类海水和二类海水，一类海水的光学性质主要由海水中的微生物，特别是海水中的浮游植物所决定。这种类型的海水主要出现在深海，占地球海水的90%以上；二类海水的光学性质则主要由海水中的悬浮粒子以及溶解的有机物质，特别是黄色物质所决定。这种水主要是混浊的沿岸水。尽管二类水体只占海水总量不到10%，但往往分布在海岸，对人类的生活特别重要。国际海道测量组织最近公布的研究报告显示[1] ，目前仍有71%的海区急需进行勘测，其中相当部分是浅海。可见对海水光学信道的研究有着极其重要的意义。
20世纪70年代左右开始，激光器、光电技术以及计算机的发展在较大程度上促进了激光探测海洋技术的发展，90年代中期激光与光电子的发展，特别是新颖的固体激光材料的研制，半导体泵浦激光器的发展，以及高灵敏度光电阵列探测器的发展，使机载海洋激光雷达发展成为海洋环境监测的重要手段[2]。目前机载激光雷达已被广泛运用于海洋科学研究，包括浅海水深、海底地貌测绘、海水光学参数、海洋叶绿素浓度、海表油污、海洋污染以及海浪特性等测量研究[3-4]。军事上也具有巨大的应用潜力，如海下通信、海下成像、水下潜艇探测、水雷探测等。
由于上述应用的需要，对激光在海水信道中的光学传输特性的研究就显得尤为重要。激光在海水信道中的光学传输特性决定着激光束在传输过程中的能量和光强时空分布的变化，也决定着激光回波信号的特征。所以，研究机载激光在海水信道中光学传输特性，对于分析机载激光雷达的回波信号特征、激光在传输过程中的变化、噪声信号的形成原因和特点，以及对优化机载激光雷达的系统设计和提高系统探测能力及探测精度都具有重要的意义。
1.2 海水中光传播的研究状况时尚的英文单词
traffic lights什么意思1963年，S.A.Sullivan和S.Q.Duntely等人发现在海水中存在一个类似于大气的透光窗口，海水对0.47～0.58微米之间波长范围内的蓝绿光的衰减系数较小。这一重要
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发现激起了人们试图利用蓝绿光探测水下目标的欲望。
1968年，美国Syracu大学研制出世界上第一个激光海水深度测量系统[5]，首次阐述了激光水深测量技术的可行性，初步建立了海洋激光雷达技术的理论基础；70年代末NASA、NOAA又联合研制了一种具有扫描和高速数据记录能力的机载海洋激光雷达AOL[6] (Airborne Oceanographic Lidar)。此后，随着Nd:YAG激光器的出现，机载激光雷达系统的研究进入了一个新的高潮。90年代，加拿大的OPTE
CH公司为美国Army Corps of Engineers研制了一种实用的水文勘测系统SHOALS[7]( Scanned Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey)，与此同时，澳大利亚国防和科技组织(Australian Defence Science and Technology Organiza- -tion)为澳大利亚海军研制了一种称为LADS[8-9]的实用机载激光水文勘测系统，瑞典国防研究院也成功研制出直升机FLASH系统，进行激光测深试验，并于90年代末，将其改进为更实用的HawkEye系统[10-11]。综上所述，上个世纪九十年代以后，美国、澳大利亚和瑞典分别研制出SHOALS、LADS和HawkEye三套实用的机载激光雷达系统，并且尝试将机载激光雷达应用于海洋测深、绘制海底地形地貌、探测海洋油污以及悬浮物浓度等诸多领域。
正是由于机载激光雷达系统逐渐成为海洋环境监测的重要手段以及应用范围的逐渐扩大，使得光在水中，尤其是激光在海水中的传输理论得到了极大的发展和促进。早在1870年，瑞利就提出了著名的瑞利定律，并用电子的观点解释了光散射的本质。1908年，米氏通过电磁波的麦克斯韦方程，解出了一个关于光散射的严格解，得出了任意直径，任意成分的均匀粒子的散射规律，提出了著名的米氏理论。1957年，H.C.Van.de Hulst[12]出版了关于微小粒子光散射现象的专著，总结了粒子散射的普遍规律。他们的工作奠定了研究散射介质中光传播的理论基础。此后，随着现场测量仪器的发展，激光在海水中的传输理论在现场数据的验证下得到很大发展，Bricaud和Zaneveld等[13-14]不断改进现场测量总吸收系数的方法，对水体成分的吸收特性展开了研究；还有许多研究者从各方面研究水体的散射特性，如Haltrin[15]等利用单波段体散射函数计算水体后向散射系数与散射系数的关系，Sathyendran
ath[16]等主要针对一类水体来研究散射系数的光谱关系，Gordon[17]等针对一类水体也开展了单位后向散射系数的研究。1983年，C.F Bohren, O.R.Huffman[18]综合前人的成果，发表了关于海水中微小粒子对光的散射及吸收的一般规律，为光在海水中的吸收和散射理论的进一步发展做出了贡献。
