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)07-1263-07Multi-channel ocean fluorescence lidar systemfor oil spill monitoringZhao 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，1264第7期该雷达可以用于探测海表面油膜、海水可溶性有机物(DOM)和叶绿素等多种目标，通过信息提取可以获得多种海洋参数，为目标的识别和分析提供参考。
2溢油信息提取2.1溢油种类识别荧光光谱是进行溢油识别的重要特征，利用荧光光谱可以实现溢油种类的区分。
在实验室环境中，采用355nm激光诱导21个油样本的荧光，利用雷达的光电转换模块和数据采集模块采集光谱数据。
常见的油样本可被分为3类，即原油、中质油(如柴油)和轻质油(如汽油)。
对样本荧光光谱进行面积归一化处理后，这3类油的典型荧光光谱如图2所示。
分析表明：在355nm激光诱导情况下，原油类的光谱覆盖范围最宽(400~650nm)，且仅有一个特征峰位于500~520nm之间；中质油和轻质油的荧光光谱信息主要分布在400~600nm范围内，但中质油具有两个特征峰，分别位于410~450nm和490~500nm 两个波段。
对3类油荧光光谱在400~490nm范围内进行一阶求导后，原油的一阶导数均方差最小。
在溢油识别过程中，雷达首先对探测到的荧光信号进行溢油种类判断，然后调用荧光光谱库中的样本荧光光谱进行匹配。
图2常见油类的荧光光谱图Fig.2Typical spectra of oil samples from the three main oil groups 2.2溢油污染程度鉴别实现溢油污染程度的实时鉴别，是针对海面溢油事件做出快速反应的关键。
探测到溢油时，雷达测量的荧光光谱主要由3部分组成，即水体Raman信号、水体DOM荧光信号和水面油荧光信号[6]。
由于水面油膜的光学衰减作用，水体Raman信号和DOM 荧光信号均会减弱，同时油荧光信号增强。
因此，在溢油污染程度不同的情况下，雷达探测到的荧光谱形会发生变化。
在海洋溢油事故中，原油是最常见的污染油类，也是产生环境危害最为严重的溢油种类。
实验室中以海水样本作为背景水体，采用原油样品制作不同污染程度下的水面油膜，所测得的荧光光谱经面积归一化后如图3所示。
图3(a)~(d)分别为无溢油污染、轻度溢油污染、严重溢油污染及溢油污染对比图。
通常的海水荧光光谱中，DOM荧光峰位于450nm处，而此次样本的荧光光谱除了在450nm处有特征峰外，位于500nm 处也出现明显的峰，如图3(a)所示，这是由于海水样本中腐殖质成分不同而引起的[7]。