發(fā)布時間：2020-11-21 17:06

　　 激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)是一種主動光學探測技術(shù),激光激發(fā)水中熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光,通過分析熒光信息可快速獲取水中溢油、有色可溶性有機物(CDOM)、葉綠素a等物質(zhì)的品類及含量信息,是監(jiān)測水體成分最有效的分析技術(shù)之一并迅速發(fā)展。目前已發(fā)展的LIF探測設(shè)備主要有基于機載、船載、岸基平臺的熒光雷達和原位LIF探測設(shè)備。其中熒光雷達可通過遙感方式快速大面積監(jiān)測海洋水生環(huán)境,但設(shè)備一般復(fù)雜龐大、造價高昂、需要專業(yè)人員操作及維護;船載和岸基的原位LIF探測設(shè)備具有靈敏度高、造價低的特點而被應(yīng)用于水體成分的定性及定量分析,但測量速度慢,不利于海洋水生環(huán)境的大面積快速監(jiān)測。目前國內(nèi)外尚未見可遙感監(jiān)測的小型便攜LIF探測設(shè)備,根據(jù)LIF雷達的研究現(xiàn)狀,本文對小型便攜式及可無人機載的LIF探測系統(tǒng)進行了深入的研究。本論文依據(jù)熒光雷達探測原理,研究了海水成分對海水固有光學性質(zhì)的影響,計算了雙向反射分布函數(shù)與海水成分的依賴關(guān)系,提出包含熒光的雙向反射再輻射分布函數(shù)并推導(dǎo)了熒光雷達方程,設(shè)計了小型便攜的LIF雷達監(jiān)測系統(tǒng),采用一種實時背景扣除算法獲得了高信噪比高幀率熒光光譜數(shù)據(jù),研制了可無線遠程遙控的無人機載LIF監(jiān)測系統(tǒng)。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)理論研究了熒光雷達探測的原理,介紹了熒光雷達探測中的重要參數(shù)。根據(jù)Mie散射理論計算了溢油海水的固有光學性質(zhì),采用實驗經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎懔瞬煌~綠素含量海水的固有光學性質(zhì)。(2)介紹了海水的雙向反射分布函數(shù)并引出包含熒光的雙向反射再輻射分布函數(shù)。根據(jù)海水的固有光學性質(zhì)計算了水體成分對雙向反射分布函數(shù)的影響,并通過雙向反射再輻射分布函數(shù)的計算建立熒光雷達方程,為熒光雷達探測提供理論指導(dǎo)。(3)設(shè)計了一臺便攜式LIF雷達系統(tǒng),主要包括發(fā)射接收系統(tǒng)和信號控制與處理系統(tǒng)的設(shè)計。對系統(tǒng)進行小型化緊湊設(shè)計,設(shè)計了準直發(fā)射光學系統(tǒng)和直視色散系統(tǒng)。為LIF雷達系統(tǒng)編寫了軟件應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)處理算法,完成了系統(tǒng)的同步控制及數(shù)據(jù)采集處理。(4)為進一步提高熒光雷達系統(tǒng)工作性能,設(shè)計了基于選通ICCD的LIF雷達系統(tǒng)。選擇三個405nm半導(dǎo)體激光器合束獲得了峰值功率4W左右的激光輸出以提高機載遙感監(jiān)測距離,并為系統(tǒng)設(shè)計了雙向無線通信模塊。為LIF雷達系統(tǒng)編寫高速實時背景扣除算法,實現(xiàn)了熒光光譜信號的快速實時高信噪比獲取。設(shè)計的LIF雷達系統(tǒng)總重量僅5kg,滿足小型無人機掛載飛行要求。(5)利用研制的LIF雷達系統(tǒng)在室內(nèi)及外場進行了一系列實驗測試,測量了不同水樣本、不同油樣本的熒光光譜并進行了定性及定量分析。分別在中國山東威海靖子、小石島沿岸海域進行了岸基實驗研究,驗證了系統(tǒng)對水體成分及水中污染物的快速檢測能力。采用樣品水池及無人機測試了LIF雷達系統(tǒng),并在山東威海北海沿岸海域進行了機載飛行實驗,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,可迅速獲取水體的熒光信息,驗證了無人機載LIF雷達系統(tǒng)的遙感探測能力。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：X87
【部分圖文】：

光雷達國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀0 年代初，美國和加拿大的研究人員首先提出可譜實現(xiàn)對油品種類的遙感探測[19]。自激光誘導(dǎo)積極發(fā)展機載海洋熒光光雷達以實現(xiàn)對海洋水生術(shù)和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，體積小、重量輕的備尺寸及能耗，同時靈敏度高的光電探測器也化的發(fā)展。多大學的 Measures 和 Bristow 首先于 1971 年研F。隨后，加拿大緊急事件科技部（ESTD）致力改熒光雷達系統(tǒng) SLEAF，如圖 1-1 所示為該系統(tǒng)m XeCl 激光器為激發(fā)光源，激光脈沖重復(fù)頻率 4接收系統(tǒng)采用 64 通道二極管陣列，采用選通探EAF 系統(tǒng)能做到全光譜的實時分辨，系統(tǒng)搭載實現(xiàn)對輕油污斑點的成功檢測[45, 46]。

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文美國 NASA 成員 Fantasia 和 Ingrao 于 1974 年成功研制了探測海面污染的熒光雷達，并在實驗室內(nèi)對多種油進行了測量。1975 年，NASA 和 NO合研制了適合全天候監(jiān)測的機載熒光雷達系統(tǒng) AOL，它的第三代系統(tǒng) AO重量、體積不到 AOL1 的 10%，系統(tǒng)重量 90kg 能夠裝載于小飛機以進行海油測量。AOL 系統(tǒng)其發(fā)射光源采用波長為 337.1nm 氮分子激光，重復(fù)頻Hz，脈沖寬度 10ns，最大輸出功率可達 100kW，接收通道為 40 通道，光辨率為 11.25nm。AOL 系統(tǒng)可以進行一系列的海洋和陸地測量工作：包括厚度測量、海底測繪、海表浮游植物及葉綠素測量等[47, 48]。AOL3 系統(tǒng)不級改進，圖 1-2 為升級改進的 AOL3 系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)的光電探測器采用型 CCD 相機為光電探測器，可實現(xiàn)光譜范圍 400-800nm 的高光譜分光。的激光光源為 OPO 激發(fā)源和 YAG 激光器，其中光學參量振蕩器激發(fā)源分 435nm、450nm、460nm、478nm、495nm、540nm 幾個波段，重復(fù)頻率 20脈沖能量 1mJ；YAG 激發(fā)光源波長 532nm，重復(fù)頻率為 5Hz，單脈沖能0mJ。該系統(tǒng)主要用于對葉綠素及藻紅蛋白的監(jiān)測。

圖 1-4 立陶宛船載熒光雷達系統(tǒng)[60]Fig.1-4 Shipborne fluorescent LiDAR system of Lithuania[60Stephanie 等人采用俄羅斯科學院海洋學研究所研制UFL）對 Balaton 湖渾濁水域進行了水質(zhì)監(jiān)測，其統(tǒng)采用 355nm 的 Nd:YAG 激光器，激光脈沖能量對 1.5m-25m 距離的水體進行監(jiān)測，測量傾角 10-60一般每 1-5m 測量一次。采用 11 通道光電倍增管（光信號，檢測的通道分別為 651nm、620nm、532nm、m、404nm、385nm 和 355nm。該 UFL 系統(tǒng)可以實 以及總懸浮物的測量。
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本文編號：2893324