多通道海洋荧光激光雷达溢油监测系统

第40卷第7期红外与激光工程2011年7月Vol.40No.7Infrared and Laser Engineering Jul.2011多通道海洋荧光激光雷达溢油监测系统

赵朝方，李晓龙，马佑军

(中国海洋大学海洋遥感研究所，山东青岛266003)

摘要：主要介绍了可用于海上溢油监测的多通道海洋荧光激光雷达系统及实验研究。该激光雷达系统采用Nd:YAG激光器三倍频激光(355nm)作为探测光源，使用口径为20cm的卡塞格林望远镜接收海面返回的荧光信号，经光栅光谱仪分光后对380~690nm范围内的荧光信号进行采集。通过实验室激光诱发油样本的荧光数据分析，研究了不同溢油种类的荧光光谱特征，并给出了区分溢油污染程度的快速分析方法。2009年以来在青岛近海进行多次实验并分析不同的海面污染类型和污染程度，实验结果表明，该雷达系统海面溢油监测性能可靠，能够准确判别溢油种类，并可区分溢油污染程度。最后讨论了雷达探测中存在的噪声影响。

关键词：多通道海洋荧光激光雷达；溢油；荧光光谱；Raman散射

中图分类号：P715.7文献标志码：B文章编号：1007-2276(2011)07-1263-07

Multi-channel ocean fluorescence lidar system

for oil spill monitoring

Zhao Chaofang,Li Xiaolong,Ma Youjun

(Ocean Remote Sensing Institute,Ocean University of China,Qingdao266003,China)

Abstract:A multi-channel ocean fluorescence lidar system for oil spill monitoring(MOFLOS)was introduced.In this system,the third harmonic of a Nd:YAG laser(at355nm)was used as the excitation source,and the backscattered fluorescence from sea surface collected by a20cm Cassegrain telescope was dispersed by a diffraction grating spectrometer with the spectral range of380-690nm.The oil fluorescence spectrum classification was studied on the basis of the characteristics of oil samples′fluorescence spectra measured in the laboratory,and a method was given to classify the different levels of water quality deviating from normal state due to oil pollution.The lidar was used to carry out several field experiments since2009,and various types and extents of oil pollution on the surface of seawater were measured and analyzed.All these experimental results show that the ocean fluorescence lidar system owns the capability of detecting oil spill at ocean surface,identifying the oil type and distinguishing the levels of oil pollutions.

Finally,the impacts of solar background and system signal-to-noise were discussed.

Key words:multi-channel ocean fluorescence lidar;oil spill;fluorescence spectrum;

Raman scattering

收稿日期：2010-11-05；修订日期：2010-12-03

基金项目：国家高技术研究发展计划(2006AA06Z415)

作者简介：赵朝方(1965-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为卫星海洋遥感、激光探测技术。Email:zhaocf@

红外与激光工程第40卷

0引言

海洋激光雷达溢油监测技术作为海面溢油遥感监测领域的一项前沿技术，具有高效、实时、溢油种类识别、全天时工作等优点，是大面积海洋溢油监测、海洋环境调查最具有前景的技术之一。20世纪70年代，美国NASA和NOAA联合研制了机载海洋激光雷达(AOL)系统[1]，主要用于测量海表层叶绿素、可溶性有机物、薄油膜和海水光学参数。20世纪90年代，德国Oldenburg大学致力于海面溢油激光监测的研究，并成功研制了海洋激光雷达系统(OLS)[2]，应用于溢油海域的实时监测。另外，加拿大、法国、意大利等国家也相继研制成功了用于溢油监测的机载激光雷达系统[3]。2001年，中国海洋大学海洋遥感研究所在“863”计划的支持下致力于海洋激光雷达的研制，成功研制了多套海洋荧光激光雷达用于海洋环境参数的测量。2006年，在该计划的继续支持下，开展多通道海洋激光雷达溢油监测技术的研究，并完成多次水面油膜探测实验。文中主要通过对现场实验数据分析，开展溢油种类判别和溢油污染程度区分的工作，检验该雷达系统的溢油探测性能。

1激光雷达系统

多通道海洋荧光激光雷达溢油监测系统(MOFLOS)主要由同轴发射与接收模块、多通道光电转换模块和数据采集模块3部分组成。

(1)同轴发射与接收模块主要部件包括脉冲激光器、激光谱线反射镜、激光高反镜、卡塞格林望远镜。三倍频Nd:YAG脉冲激光器作为激发光源，探测波长为355nm，脉冲功率大于40mW；卡塞格林望远镜口径为200mm。相对于旁轴接收光路，同轴光路结构易于实现目标不同距离的测量调节，采用小视场角时就能够有效接收目标信号，从而提高了雷达接收系统的信噪比。

(2)多通道光电转换模块由分光结构和光电转换两部分构成。分光结构中使用的闪耀光栅参数为600刻痕/mm，光谱分辨率为10nm；采用多通道光电倍增管(PMT)作为光电转换元件。在PMT信号输出端采用脉冲信号放大电路对微弱荧光信号转换的电流进行放大。

(3)数据采集及处理模块主要由数据采集卡和工控机组成。数据采集卡支持RTSI总线同步技术，可实现多卡同步采集，采样率为60MHz；采用扩展插槽式工控机，设置与采集卡相配套的插槽。同时采用探测激光脉冲前沿的外部光电触发电路为采集卡提供触发信号[4]并测量激光能量抖动，采用高速PIN 管作为光电转换部件。外部光电触发电路、数据采集卡和工控机系统构成信号采集、储存与处理的硬件基础，采用VC++编程环境编写用户界面并实现数据的实时处理和显示功能。

激光雷达系统结构示意如图1所示。355nm激光诱导海面和表层海水中的物质发射荧光，荧光信号被望远镜接收后进入多通道光电转换系统，经光谱仪分光后由PMT阵列接收并转换为电信号。放大输出的24个通道信号，经数据采集卡进行模数转换，计算机通过程序对采集到的数据存储和调用，最后由自行开发的软件进行分析后实时显示探测结果。

图1多通道海洋激光雷达结构示意图

Fig.1Sketch map of multi-channel ocean fluorescence lidar system for oil spill monitoring

在保证系统溢油探测性能的前提下，依据主成分分析法选取油荧光光谱的特征通道[5]，并综合考虑表层海水物质的荧光特征，系统的工作光谱范围选定为370~570nm(第1~第20通道，10nm/通道)，590~ 600nm(第21通道)，610~620nm(第22通道)，640~ 650nm(第23通道)，680~690nm(第24通道)。因此，

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