机载海洋激光荧光雷达软硬件设计与飞行实验
机载海洋激光荧光雷达是遥感领域的一项前沿技术，具有高效、实时、测量准确等优点。随着激光雷达技术的完善和它日益广阔的应用前景，2001年，中国海洋大学海洋遥感研究所承担了国家863资源与环境技术领域的“机载海洋激光雷达海洋环境监测技术”课题，开始研制用于测量海表层叶绿素浓度的机载海洋激光荧光雷达。2003年11月，机载海洋激光荧光雷达系统安装在国家海洋局北海分局的中国海监B-3807飞机上，成功的进行了首次飞行实验。
本论文围绕此课题展开讨论，分为四部分：第一部分为基本原理与发展综述，介绍了机载海洋激光雷达的基本测量原理、应用、国内外海洋激光雷达的发展、现状以及未来的发展趋势；第二部分为机载海洋激光荧光雷达系统硬件设计与实现；第三部分为海洋激光荧光雷达系统软件设计与实现；第四部分为实验以及实验结果的分析和讨论，最后是总结。
第一部分首先简述海洋激光雷达测量海表层叶绿素a浓度的原理，然后介绍了机载海洋激光雷达在浅海地形测量、海洋生态环境监测和海色卫星印证领域的应用，最后介绍国内外海洋激光雷达的发展和现状，国外发达国家的机载海洋激光雷达已经比较成熟，然而国内的机载系统还刚起步，相对于海洋环境监测的需求，必须加快发展。而且依据国内海洋激光雷达的现状，总结了海洋激光雷达的发展趋势。
第二部分介绍了运用计算机工程学的原理，进行海洋激光雷达系统的硬件设计和机械结构设计。系统硬件包括激光发射、荧光和喇曼接收、分光系统、光电转换和数据采集处理五大部分，系统使用355nm紫外激光作为激发光源，提高叶绿素a荧光的激发效率，同时分析了激光的人眼安全参数，保证在飞行高度高于150米时，激光对于海面的人眼是安全的；信号接收部分采用光纤作为信号传输方式，望远镜接收的信号经过光纤耦合透镜进入光纤。分析了望远镜接收视场参数，并确定了光纤耦合透镜的参数。然后分析接收视场和激光束的重叠区域受飞机飞行高度的影响，确定了望远镜和激光器的间距。分光系统采用改造的光纤光谱仪，依据对不同波长光学效率的分析选择适合的光栅，分析光谱仪内部光路，确定光谱分辨率，然后根据荧光和喇曼的带宽确定通道狭缝的实际宽度。在荧光和喇曼通道采用干涉滤光片，有效的抑制了背景光和激光的海面反射和水体回向散射光。光电转换采用光电倍增管，该倍增管具有高灵敏度和低噪声，数据采集利用40MHz采样卡完成。机械结构介绍了系统在飞机上的布放、激光雷达头部和控制机柜的机械结构。飞行实验后，对于系统的缺点提出了五点升级方案，包括激光器的升级方案、分光部分的改进思路、多通道光电倍增管的选择、A/D采集卡升级方案、笔记本电脑USB采集方案设计。
第三部分介绍了运用软件工程的原理进行软件设计。主要包括海洋激光雷达系统的系统分析，设计了软件系统流程。数据采集是从采集卡读取、存储和显示数据，将存储的数据经过数据处理软件获得叶绿素a浓度，然后通过数据库接口程序或ASCⅡ文件保存数据。数据处理方法中介绍了与反演相关的内容。
第四部分的实验主要包括荧光和喇曼带宽实验、叶绿素a浓度和荧光强度的关系实验、激光波长355nm和532nm荧光效率的比较实验和峰值提取算法的验证实验以及机载实验。叶绿素a浓度和荧光强度的关系实验是测量不同浓度的叶绿素a受激发射的荧光强度和叶绿素a浓度的关系，实验结果表明两者成近似线性关系。激光波长355nm和532nm荧光效率的比较实验测量当激发出同样叶绿素a荧光时355nm和532nm激光的能量，比较它们能量的差别，然后计算当基频1064nm能量相同时，三倍频355nm和二倍频532激发荧光效果的不同，最终结果是三倍频能够激发出更多的荧光，即具有更高的荧光激发效率。机载实验的成功，验证了整套设备选型、加工、调试的正确性，并为进一步改进系统提供了宝贵的经验。机载实验过后，又进行了若干次外场实验。
论文的最后总结了该论文的研究内容，同时也指出了系统尚存在的不足及改进方法，为进一步完善系统提出建议。
机载雷达;海洋激光荧光雷达;软件设计;硬件设计;计算机工程学
中国海洋大学
硕士
计算机技术
魏振钢
2005
中文
TN958.98;TN959.73
60
2006-07-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）