高光谱激光雷达技术应用于浮游生物水下探测

Hyperspectral lidar is novel lidar technique which combine continuous-wave lidar and hyperspectral technique. This project develops a inelastic hyperspectral lidar applied for profiling and spectral information of underwater plankton. The technique achieves dozens of bands spectral detection along distance distribution. The spectral range is 400-800 nm with 5 nm spectral resolution. The instrument can detect elastic scattering, laser induced fluorescence, Raman scattering and others inelastic scattering signal simultaneously. According to the situation of underwater, 25-100 m detection range can be achieved. Plankton smaller than 1 mm can be identified. The instrument can be loaded by remotely operator vehicle (ROV); achieve long-term large scale continuous monitoring underwater. Plankton is one of the most important role of food link of aquatic ecosystem. The technique is capable for monitoring population distribution and spectra, these are significance for research of aquatic food link, micro-pollution cycle, and oceanic climate. Point sampling detection method is main method for plankton monitoring at present, which has limitations for large-scale monitoring. This project combines three-dimension domain and hyperspectral detection innovatively, which achieves large-scale plankton distribution and spectral information detection simultaneously.

高光谱激光雷达是一种将连续光激光雷达和高光谱技术相结合的新型激光雷达技术。本项目研究一种非弹性散射高光谱激光雷达，应用于水下浮游生物光谱特性、分布等信息的监测。结合高光谱和激光雷达测距、定位的优势，实现数十个波段的按距离分布的光谱探测。光谱范围400-800 nm，分辨率5 nm。能够同时探测弹性散射、激光诱导荧光、拉曼散射、以及其他非弹性散射光信号。根据水下探测环境，探测距离25-50 m。可探测小于1 mm的浮游生物。能够装载于小型水下航行设备，实现水下长时间大范围连续监测。浮游生物是水生态系统食物链的重要组成部分，该技术适用于监测浮游生物的群体分布、光谱等信息，对于水体食物链、微污染物循环、海洋气候变化等研究具有重要意义。当前主要采用的监测方式多属于点式采样检测，在空间大尺度监测上具有局限性。本项目创新性的结合了三维空间和高光谱探测，实现了大范围浮游生物分布和光谱信息的同步探测。

水下悬浮颗粒物监测在水生生态系统研究中具有重要作用。例如，一种特殊的浮游动物-水蚤是北极地区的关键和优势物种，可以作为极地环境条件的指标，而极地环境尤其受到全球变化的影响。本项目介绍了一种新的激光雷达技术，它能以合理的灵敏度提供高光谱监测和时空分辨率探测。本项目设计和开发基于连续光雷达的非弹性散射高光谱激光雷达。进行水下浮游植物探测实验，验证系统性能。分析研究水下浮游植物空间分布光谱探测。研究方法该方法在浮游植物探测方面的应用。进行水下浮游动物运动特性的监测和垂直迁徙特性探测，进行浮游动物垂直迁徙特性和生物量分布研究。研究方法该方法在浮游动物探测方面的应用。.本项目先后设计了原理样机进行了陆地上的荧光探测和无人机挂飞探测，从而验证高光谱激光雷达能够同时获得空间分辨和光谱分辨。证明了激光诱导荧光可以在相当大的范围内从无人机平台上以良好的信噪比记录下来，即使是非常短的1毫秒的积分时间。这意味着可以获得高的空间分辨率另一种方法是，在实际情况下，可以用较低的分辨率覆盖较大的区域。验证了该系统可用于藻类的空中水生监测、石油泄漏和带有染料标记的水包的移动，还可利用内置的使用水O–H伸缩拉曼信号的校准能力。.我们的水下Scheimpflug（沙姆定律）激光雷达系统已经证明能够在实验水箱中监测水生动物的运动状态。通过对毛虾、鱼和仿真目标连续记录结果的分析，获得了电机驱动的纤维（直径0.185mm，长度10mm）的振动频率，以及虾多足类和鱼尾（长度1-3cm的鱼）的运动频率。可检测对象尺寸范围在约0.2 mm到3 cm之间。与传统的水环境监测研究方法不同，该系统为水生动物的原位、无创、实时监测提供了一种可行的方法。该系统具有弹性散射和荧光检测能力，也非常适合海洋中的塑料监测。