海洋水色遙感是實現全球海洋水體光學參數和顆粒物空間觀測的主要手段，自1978年第一臺水色傳感器(CZCS) 成功運行至今，衛星水色遙感作為全球觀測系統的一個重要組成部分，在海洋初級生產力、海洋碳循環和海洋生態環境等領域發揮了重要作用。目前業務化運行的星載水色傳感器均採用被動光學遙感技術，利用海水組分對太陽光的吸收和散射特性， 通過測量海面向上光譜輻射，獲得海水固有光學參數IOPs以及葉綠素a濃度、顆粒有機碳POC濃度和顆粒無機碳PIC濃度、懸浮物SPM濃度生物地球化學參數。
激光雷達作為一種主動光學傳感器，能夠進一步提高空間全球海洋觀測能力，已引起了海洋光學和水色遙感領域專家的極大興趣。目前在軌運行的星載雲-氣溶膠激光雷達（CALIOP) 已顯示出海洋探測的潛力。與被動水色傳感器相比，星載海洋激光雷達具有獲取垂直剖面數據和不受大氣校正影響的優點，可以工作在白天和晚上，而且能覆蓋太陽高度角較低的高緯度地區。由於光波在海水中傳輸時衰減速度很快，海水光學性質及激光波長會顯著影響激光雷達的探測深度。
文中基於激光傳輸過程，根據激光雷達方程和給定的激光雷達參數，對星載海洋激光雷達探測全球海洋的最優波長和最大探測深度進行了估算。
探測深度全球分佈
利用表1所示的海洋激光雷達參數和MODIS年平均海洋光學參數數據，文中對星載激光雷達全球海洋探測深度進行了估算。發射激光參數的設定主要考慮了人眼安全閾值，並將不同波長的單脈衝能量設定為相同數值。考慮到大氣透過率受氣溶膠和雲的影響較大，存在較大的不確定性，這並非文中討論的重點，因此在計算過程中將單程大氣透過率假設為0.8。背景光光譜輻亮度的數值在400～600nm的可見光範圍內變化較小，因此計算過程中忽略了其隨波長的變化。
表1中的背景光光譜輻亮度為太陽直射時的數值，計算時假定太陽直射赤道，並考慮背景光光譜輻亮度隨緯度的變化。所用的MODIS數據為Level 3全球年平均產品，包括吸收係數a和後向散射係數bb，水平分辨率為4km，包含6個波段(412、443、488、531、547、667 nm)。為了研究探測波長對激光雷達探測深度的影響，以5nm 分辨率對a和bb數據進行了插值，得到400～600nm波段範圍內的a和bb的全球年平均數據。文中在白天(考慮太陽背景光，太陽直射赤道，時段為當地時間正午12時)和夜晚(無太陽背景光，忽略月光、星光等的影響)兩種情況下分別估算了星載激光雷達的最大探測深度(信噪比閾值設為1)。
星載海洋激光雷達的探測深度的分佈主要受到探測波長和水體光學性質的影響。在圖1所示的白天探測情況下，探測深度存在明顯的隨波長變化的趨勢，總體上看，探測深度在475nm附近達到最大值，在清潔大洋水體最大可達約110m，波長減小或增大時探測深度有不同程度的下降，波長為575nm時，探測深度的最大值約為40m。
另外，探測深度的分佈與水體光學性質的分佈具有很強的相關性，呈現出比較明顯的空間分佈特徵，在波長確定的情況下，清潔大洋水的探測深度最深，隨著水體逐漸渾濁，探測深度迅速減小。對於不同波長，探測深度的空間分佈特徵也相對穩定。夜晚條件下探測深度隨波長和水體光學性質的變化趨勢與白天探測時基本相同。由於夜晚探測不受背景光影響，探測信噪比有所提高，因此不同波長和不同海域的探測深度均有不同程度的提高，475nm時清潔大洋水體提高最多，最大探測深度可達約120m，此外，受到背景光光譜輻亮度隨緯度的變化，低緯度海域的日夜背景光差異最大，信噪比和探測深度的提高程度與高緯度海域相比更為明顯。
圖1 星載海洋激光雷達探測深度全球分佈(白天探測，信噪比閾值為1)
最大探測深度與最優波長
為了分析星載海洋激光雷達的最佳探測能力，文中進一步對最大探測深度和最優探測波長進行了分析。對於某個給定的空間位置，根據激光雷達探測深度隨波長的變化關係， 可以計算出該位置處的最大探測深度及其對應的最優探測波長，進而得到最大探測深度和最優探測波長的空間分佈情況。星載海洋激光雷達最大探測深度主要受到水體光學性質的影響，如圖2中的白天探測結果所示，清潔大洋水體的最大探測深度最大，沿岸渾濁水的最大探測深度最小。大洋水的最大探測深度普遍大於70m，靠近陸地的海區的探測深度大多在40～50m，近岸渾濁水體的最大探測深度只能達到20m甚至更淺。最優探測波長的空間分佈也與水體光學性質密切相關，如圖2所示，清潔大洋水的最優探測波長最短，在460nm左右，開闊海域的最優波長大多在460～500nm之間，隨著海水逐漸變渾濁， 最優探測波長逐漸變長，在部分近岸區域最優波長能夠達到550nm以上。與白天探測結果相比，夜間最大探測深度的分佈趨勢與白天基本相同，最大探測深度比白天增加0～10m。夜間探測的最優波長分佈趨勢與白天幾乎相同。
圖2 星載海洋激光雷達最大探測深度(a)及其對應的最優探測波長(b)的全球分佈(白天
在中國近海和附近海區，星載海洋激光雷達最大探測深度和最優探測波長的分佈都具有明顯的區域性特徵。如圖3所示，在近岸、內海和河口等海水較為渾濁的區域， 最大探測深度基本不超過20m，對應的最優探測波長大致在540～580nm；在黃海和遠離長江口的東海區域，最大探測深度能達到50m左右，最優探測波長在490～510nm；在琉球群島西北側、臺灣東側和南海大部分海區，最大探測深度可達70～80 m，最優探測波長基本在470～490nm；在琉球群島以東和菲律賓以東，最大探測深度可達90m左右，最優探測波長大多在450～470 nm。
圖3 中國海附近星載海洋激光雷達最大探測探測深度(a)及其對應的最優探測波長(b)的全球分佈
與圖3所示的白天探測結果相比，夜間最大探測深度的分佈趨勢與白天基本相同，最大探測深度比白天增加0～10m。夜間探測的最優波長分佈趨勢與白天幾乎相同。
結 論
文中通過計算激光雷達回波信號和激光雷達探測信噪比， 估算了藍綠波段星載海洋激光雷達探測全球海洋的探測深度和最優探測波長的分佈。結果表明探測深度的分佈主要依賴於激光波長和水體光學性質，在清潔大洋水，最優探測波長在460nm左右， 白天和夜間的最大探測深度分別為110m和120m左右；沿岸渾濁水的最優探測波長多在500nm以上，部分水體較渾濁的海區的最優波長能夠達到550nm以上，最大探測深度只能達到20m或更淺，而且夜間探測深度和白天幾乎相同； 其他海區的探測深度和最優波長介於清潔大洋水和沿岸渾濁水之間。總體上看，探測波長為470～480nm時，星載海洋激光雷達在全球範圍內的探測能力最佳，波長在500nm以上時，在沿岸海域的探測能力最佳。
選擇和確定星載海洋激光雷達系統指標時還需要考慮實際的技術成熟度和工程實現難易度，考慮到目前的激光器技術條件，532nm的激光器具有最高的成熟度和穩定性，該波長在近岸海區具有較好的探測能力。隨著激光技術的發展，將來可以根據觀測範圍的具體需求，有針對性地選取特定波長的激光光源，以提高星載海洋激光雷達的綜合探測能力。
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