海洋水色遥感是实现全球海洋水体光学参数和颗粒物空间观测的主要手段，自1978年第一台水色传感器(CZCS) 成功运行至今，卫星水色遥感作为全球观测系统的一个重要组成部分，在海洋初级生产力、海洋碳循环和海洋生态环境等领域发挥了重要作用。目前业务化运行的星载水色传感器均采用被动光学遥感技术，利用海水组分对太阳光的吸收和散射特性， 通过测量海面向上光谱辐射，获得海水固有光学参数IOPs以及叶绿素a浓度、颗粒有机碳POC浓度和颗粒无机碳PIC浓度、悬浮物SPM浓度生物地球化学参数。
激光雷达作为一种主动光学传感器，能够进一步提高空间全球海洋观测能力，已引起了海洋光学和水色遥感领域专家的极大兴趣。目前在轨运行的星载云-气溶胶激光雷达（CALIOP) 已显示出海洋探测的潜力。与被动水色传感器相比，星载海洋激光雷达具有获取垂直剖面数据和不受大气校正影响的优点，可以工作在白天和晚上，而且能覆盖太阳高度角较低的高纬度地区。由于光波在海水中传输时衰减速度很快，海水光学性质及激光波长会显著影响激光雷达的探测深度。
文中基于激光传输过程，根据激光雷达方程和给定的激光雷达参数，对星载海洋激光雷达探测全球海洋的最优波长和最大探测深度进行了估算。
探测深度全球分布
利用表1所示的海洋激光雷达参数和MODIS年平均海洋光学参数数据，文中对星载激光雷达全球海洋探测深度进行了估算。发射激光参数的设定主要考虑了人眼安全阈值，并将不同波长的单脉冲能量设定为相同数值。考虑到大气透过率受气溶胶和云的影响较大，存在较大的不确定性，这并非文中讨论的重点，因此在计算过程中将单程大气透过率假设为0.8。背景光光谱辐亮度的数值在400～600nm的可见光范围内变化较小，因此计算过程中忽略了其随波长的变化。
表1中的背景光光谱辐亮度为太阳直射时的数值，计算时假定太阳直射赤道，并考虑背景光光谱辐亮度随纬度的变化。所用的MODIS数据为Level 3全球年平均产品，包括吸收系数a和后向散射系数bb，水平分辨率为4km，包含6个波段(412、443、488、531、547、667 nm)。为了研究探测波长对激光雷达探测深度的影响，以5nm 分辨率对a和bb数据进行了插值，得到400～600nm波段范围内的a和bb的全球年平均数据。文中在白天(考虑太阳背景光，太阳直射赤道，时段为当地时间正午12时)和夜晚(无太阳背景光，忽略月光、星光等的影响)两种情况下分别估算了星载激光雷达的最大探测深度(信噪比阈值设为1)。
星载海洋激光雷达的探测深度的分布主要受到探测波长和水体光学性质的影响。在图1所示的白天探测情况下，探测深度存在明显的随波长变化的趋势，总体上看，探测深度在475nm附近达到最大值，在清洁大洋水体最大可达约110m，波长减小或增大时探测深度有不同程度的下降，波长为575nm时，探测深度的最大值约为40m。
另外，探测深度的分布与水体光学性质的分布具有很强的相关性，呈现出比较明显的空间分布特征，在波长确定的情况下，清洁大洋水的探测深度最深，随着水体逐渐浑浊，探测深度迅速减小。对于不同波长，探测深度的空间分布特征也相对稳定。夜晚条件下探测深度随波长和水体光学性质的变化趋势与白天探测时基本相同。由于夜晚探测不受背景光影响，探测信噪比有所提高，因此不同波长和不同海域的探测深度均有不同程度的提高，475nm时清洁大洋水体提高最多，最大探测深度可达约120m，此外，受到背景光光谱辐亮度随纬度的变化，低纬度海域的日夜背景光差异最大，信噪比和探测深度的提高程度与高纬度海域相比更为明显。
图1 星载海洋激光雷达探测深度全球分布(白天探测，信噪比阈值为1)
最大探测深度与最优波长
为了分析星载海洋激光雷达的最佳探测能力，文中进一步对最大探测深度和最优探测波长进行了分析。对于某个给定的空间位置，根据激光雷达探测深度随波长的变化关系， 可以计算出该位置处的最大探测深度及其对应的最优探测波长，进而得到最大探测深度和最优探测波长的空间分布情况。星载海洋激光雷达最大探测深度主要受到水体光学性质的影响，如图2中的白天探测结果所示，清洁大洋水体的最大探测深度最大，沿岸浑浊水的最大探测深度最小。大洋水的最大探测深度普遍大于70m，靠近陆地的海区的探测深度大多在40～50m，近岸浑浊水体的最大探测深度只能达到20m甚至更浅。最优探测波长的空间分布也与水体光学性质密切相关，如图2所示，清洁大洋水的最优探测波长最短，在460nm左右，开阔海域的最优波长大多在460～500nm之间，随着海水逐渐变浑浊， 最优探测波长逐渐变长，在部分近岸区域最优波长能够达到550nm以上。与白天探测结果相比，夜间最大探测深度的分布趋势与白天基本相同，最大探测深度比白天增加0～10m。夜间探测的最优波长分布趋势与白天几乎相同。
图2 星载海洋激光雷达最大探测深度(a)及其对应的最优探测波长(b)的全球分布(白天
在中国近海和附近海区，星载海洋激光雷达最大探测深度和最优探测波长的分布都具有明显的区域性特征。如图3所示，在近岸、内海和河口等海水较为浑浊的区域， 最大探测深度基本不超过20m，对应的最优探测波长大致在540～580nm；在黄海和远离长江口的东海区域，最大探测深度能达到50m左右，最优探测波长在490～510nm；在琉球群岛西北侧、台湾东侧和南海大部分海区，最大探测深度可达70～80 m，最优探测波长基本在470～490nm；在琉球群岛以东和菲律宾以东，最大探测深度可达90m左右，最优探测波长大多在450～470 nm。
图3 中国海附近星载海洋激光雷达最大探测探测深度(a)及其对应的最优探测波长(b)的全球分布
与图3所示的白天探测结果相比，夜间最大探测深度的分布趋势与白天基本相同，最大探测深度比白天增加0～10m。夜间探测的最优波长分布趋势与白天几乎相同。
结 论
文中通过计算激光雷达回波信号和激光雷达探测信噪比， 估算了蓝绿波段星载海洋激光雷达探测全球海洋的探测深度和最优探测波长的分布。结果表明探测深度的分布主要依赖于激光波长和水体光学性质，在清洁大洋水，最优探测波长在460nm左右， 白天和夜间的最大探测深度分别为110m和120m左右；沿岸浑浊水的最优探测波长多在500nm以上，部分水体较浑浊的海区的最优波长能够达到550nm以上，最大探测深度只能达到20m或更浅，而且夜间探测深度和白天几乎相同； 其他海区的探测深度和最优波长介于清洁大洋水和沿岸浑浊水之间。总体上看，探测波长为470～480nm时，星载海洋激光雷达在全球范围内的探测能力最佳，波长在500nm以上时，在沿岸海域的探测能力最佳。
选择和确定星载海洋激光雷达系统指标时还需要考虑实际的技术成熟度和工程实现难易度，考虑到目前的激光器技术条件，532nm的激光器具有最高的成熟度和稳定性，该波长在近岸海区具有较好的探测能力。随着激光技术的发展，将来可以根据观测范围的具体需求，有针对性地选取特定波长的激光光源，以提高星载海洋激光雷达的综合探测能力。
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