hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2024.17(3)-3hydrophysics-1368Research ArticleГИДРООПТИКАHYDROOPTICSСопоставление информативности ортогонально поляризованных компонент лидарного эхо-сигнала для оценки гидрооптических характеристик приповерхностного слояA comparison of the Information Content of Orthogonally Polarized Components of Lidar Echo Signal for Evaluating Hydrooptical Characteristics of the Near-Surface Layerhttps://orcid.org/0000-0003-4555-8879ГлуховВ. А.GlukhovV. A.

Глухов Владимир Алексеевич, научный сотрудник ИО РАН

WoS ResearcherID: GSD-4886–2022

Scopus Author ID: 57191414331

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nakhimovsky pr., 36, Moscow

vl.glukhov@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5731-5458ГольдинЮ. А.GoldinYu. A.

Гольдин Юрий Анатольевич, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИО РАН

Scopus Author ID: 6602648464

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nakhimovsky pr., 36, Moscow

goldin@ocean.ruhttps://orcid.org/0009-0005-2313-2326ГлиткоО. В.GlitkoO. V.

Глитко Олег Викторович, научный сотрудник ИО РАН

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nakhimovsky pr., 36, Moscow

glitko_kisin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5641-4227ГлуховецД. И.GlukhovetsD. I.

Глуховец Дмитрий Ильич, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИО РАН, преподаватель, Московского физико-технического института (национального исследовательского университета)

Scopus AuthorID: 57193736311

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

141701, Институтский пер., 9, г. Долгопрудный, Московская облаcть

117997, Nakhimovsky pr., 36, Moscow

141701, Institutskiy per., 9, Dolgoprudny

glukhovets@ocean.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7397-0548РодионовМ. А.RodionovM. A.

Родионов Максим Анатольевич, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИО РАН

Scopus AuthorID: 56034199200

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nakhimovsky pr., 36, Moscow

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАН; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)РоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)Russian Federation2024281120241733243Copyright © Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Глитко О.В., Глуховец Д.И., Родионов М.А., 20242024Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Глитко О.В., Глуховец Д.И., Родионов М.А.Glukhov V.A., Goldin Y.A., Glitko O.V., Glukhovets D.I., Rodionov M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1368

С использованием двухканального судового поляризационного лидара ПЛД-1 на станциях с однородным вертикальным распределением гидрооптических характеристик приповерхностного слоя выполнена серия лидарных измерений. Лидарное зондирование сопровождалось синхронными сопутствующими контактными измерениями ряда гидрооптических характеристик. Получен большой массив данных измерений, выполненных в водах с гидрооптическими характеристиками, меняющимися в широких пределах. В результате статистической обработки этих данных получены регрессионные соотношения, связывающие показатель ослабления c, показатель поглощения a и показатель диффузного ослабления света Kd с показателями ослабления ко- и кросс-поляризованных компонент лидарного эхо-сигнала. В большинстве случаев наблюдается линейная связь гидрооптических характеристик с показателями ослабления поляризованных компонент лидарного эхо-сигнала. Эти связи характеризуются высокими значениями коэффициента детерминации — от 0,8 до 0,95. Исключение составляет связь показателя ослабления света c и показателя ослабления кросс-поляризованной компоненты лидарного эхо-сигнала, где для описания этой связи используется полином второй степени (коэффициент детерминации 0,88). Данные о гидрооптических характеристиках, полученные с использованием кросс-поляризованной компоненты лидарного эхо-сигнала, в основном дублируют данные ко-поляризованной компоненты. Однако использование двухканальной регистрирующей системы повышает надежность и достоверность получаемых данных и обеспечивает возможность контроля однородности подводного участка трассы зондирования.

A series of lidar measurements were conducted at stations with a homogeneous vertical distribution of hydrooptical char acteristics in the near-surface layer using a two-channel shipborne polarization lidar PLD-1. Lidar sounding was accompanied by synchronous contact measurements of a number of hydrooptical characteristics. A large dataset of measurement data was obtained in waters where hydrooptical characteristics varied widely. As a result of the statistical processing of these data, regression relationships were obtained linking the seawater beam attenuation coefficient c, absorption coefficient a, and diffuse attenuation coefficient Kd to the lidar attenuation coefficients of the co- and cross-polarized components. In most cases, a linear relationship between hydrooptical characteristics and the lidar attenuation coefficients of the polarized components is observed. These rela tionships are characterized by high values of the coefficient of determination — from 0.8 to 0.95. An exception is the relationship between the seawater beam attenuation coefficient c and the lidar attenuation coefficient of the cross-polarized component, where a second-degree polynomial is used to describe this relationship (coefficient of determination is 0.88). Data on the hydrooptical characteristics obtained using the cross-polarized component of the lidar echo signal mostly duplicate the data of the co-polarized component. However, the use of a two-channel optical receiving system increases the reliability and accuracy of the obtained data and provides the possibility of controlling the homogeneity of the underwater section of the sounding path.

морской поляризационный лидаргидрооптические характеристикирегрессионные соотношенияmarine polarized lidarhydrooptical characteristicsregression relationshipОбработка и анализ данных лидарного зондирования выполнены в рамка государственного задания ИО РАН по теме № FMWE-2024–0015. Обработка данных сопутствующих измерений выполнена в рамках соглашения с Росгидрометом № 169-15-2023-002.The processing and statistical analysis of the recorded lidar sounding data were carried out within the Shirshov Institute of Oceanology state assignment (No. FMWE-2024–0015). The processing of related data was sponsored under the project funded by the Russian Hydrometeorological Service (contract agreement No. 169-15-2023-002).ReferencesГлухов В.А., Гольдин Ю.А. Морские радиометрические лидары и их использование для решения океанологиче ских задач // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2024. Т. 17, № 1. С. 104–128. doi:10.59887/2073-6673.2024.17(1)-9Glukhov V.A., Goldin Yu.A. Marine profiling lidars and their application for oceanological problems. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2024;17(1):104–128. doi:10.59887/2073–6673.2024.17(1)-9Браво-Животовский Д.М., Гордеев Л.Б., Долин Л.С., Моченев С.Б. Определение показателей поглощения и рас сеяния морской воды по некоторым характеристикам светового поля искусственных источников света // Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. По результатам исследований в 5-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев». Глава 5. С. 153–158 / Под ред. А.С. Монина, К.С. Шифрина. М.: Наука, 1974. 328 с.Bravo-Zhivotovsky D.M., Gordeev L.B., Dolin L.S., Mochenev S.B. Determination of absorption and scattering indi cators of sea water based on some characteristics of the light field of artificial light sources. Hydrophysical and hydrooptical studies in the Atlantic and Pacific oceans. Based on the results of research on the 5th cruse of the R/V Dmitry Mendeleev. Chapter 5. P. 153–158 / Ed. by A.S. Monin, K.S. Shifrin. M.: Nauka; 1974. 328 p. (in Russian).Xu P., Liu D., Shen Y., Chen Y. Design and validation of a shipborne multiple-field-of-view lidar for upper ocean remote sensing // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2020. Vol. 254. P. 107201. doi:10.1016/j.jqsrt.2020.107201Peituo Xu, Dong Liu, Yibing Shen et al. Design and validation of a shipborne multiple-field-of-view lidar for upper ocean remote sensing. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2020;254:107201. doi:10.1016/j.jqsrt.2020.107201Collister B.L., Zimmerman R.C., Hill V.J., Sukenik I., Balch M. Polarized lidar and ocean particles: insights from a mesoscale coccolithophore bloom // Applied Optics. 2020. Vol. 59, N 15. P. 4650–4662. doi:10.1364/AO.389845Collister B.L., Zimmerman R.C., Hill V.J., Sukenik I., Balch M. Polarized lidar and ocean particles: insights from a mesoscale coccolithophore bloom. Applied Optics. 2020;59(15):4650–4662. doi:10.1364/AO.389845Glukhov V.A., Goldin Yu.A., Glitko O.V. et al. Investigation of the Relationships between the Parameters of Lidar Echo Signals and Hydrooptical Characteristics in the Western Kara Sea // Oceanology. 2023. Vol. 63 (S1). P. S119–S130. doi:10.1134/S0001437023070044Glukhov V. A., Goldin Yu. A., Glitko O.V. et al. Investigation of the Relationships between the Parameters of Lidar Echo Signals and Hydrooptical Characteristics in the Western Kara Sea. Oceanology. 2023;63(Suppl 1): S119-S130. doi:10.1134/S0001437023070044Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Глитко О.В., Аглова Е.А., Глуховец Д.И., Родионов М.А. Лидарные исследования в первом этапе 89-го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш» // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2023. Т. 16. № 4. С. 107–115. doi:10.59887/2073-6673.2023.16(4)-9Glukhov V.A., Goldin Yu.A., Glitko O.V. et al. Lidar Research during the First Stage of the 89th Cruise of the R/V “Academ ic Mstislav Keldysh”. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2023;16(4):107–115. doi:10.59887/2073-6673.2023.16(4)-9Chen Ya., Cui X., Gu Q. et al. This is MATE: A Multiple scAttering correcTion rEtrieval algorithm for accurate lidar profiling of seawater optical properties // Remote Sensing of Environment. 2024. Vol. 307. P. 114166. doi:10.1016/j.rse.2024.114166Chen Ya., Cui X., Gu Q. et al. This is MATE: A Multiple scAttering correcTion rEtrieval algorithm for accurate lidar profiling of seawater optical properties. Remote Sensing of Environment. 2024;307:114166. doi:10.1016/j.rse.2024.114166Zhou Y., Chen Y., Zhao H. et al. Shipborne oceanic high-spectral-resolution lidar for accurate estimation of seawater depth resolved optical properties // Light: Science & Applications. 2022. Vol. 11. P. 261. doi:10.1038/s41377-022-00951-0Zhou Y., Chen Y., Zhao H. et al. Shipborne oceanic high-spectral-resolution lidar for accurate estimation of seawater depth-resolved optical properties. Light: Science & Applications. 2022;11:261. doi:10.1038/s41377-022-00951-0Schulien J.A., Behrenfeld M.J., Hair J.W. et al. Vertically-resolved phytoplankton carbon and net primary production from a high spectral resolution lidar // Optic Express. 2017. Vol. 25. P. 13577–13587. doi:10.1364/OE.25.013577Schulien J.A., Behrenfeld M.J., Hair J.W. et al. Vertically- resolved phytoplankton carbon and net primary production from a high spectral resolution lidar. Optic Express. 2017;25:13577–13587. doi:10.1364/OE.25.013577Gordon H.R. Interpretation of airborne oceanic lidar: effects of multiple scattering // Applied Optics. 1982. Vol. 21. N 16. P. 2996–3001.Gordon H.R. Interpretation of airborne oceanic lidar: effects of multiple scattering. Applied Optics. 1982;21(16):2996–3001.Dolina I.S., Dolin L.S., Levin I.M., Rodionov A.A., Savel’ev V.A. Inverse problems of lidar sensing of the ocean // Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters. SPIE. 2007. Vol. 6615. P. 104–113.Dolina I.S., Dolin L.S., Levin I.M., Rodionov A.A., Savel’ev V.A. Inverse problems of lidar sensing of the ocean. Cur rent Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters. SPIE. 2007;6615:104–113.Chaikovskaya L.I., Zege E.P. Theory of polarized lidar sounding including multiple scattering // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2004. Vol. 88, N 1–3. P. 21–35. doi:10.1016/j.jqsrt.2004.01.002Chaikovskaya L.I., Zege E.P. Theory of polarized lidar sounding including multiple scattering. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2004;88(1–3):21–35. doi:10.1016/j.jqsrt.2004.01.002Васильков А.П., Кондранин Т.В., Мясников Е.В. Определение профиля показателя рассеяния света по поляризационным характеристикам отраженного назад излучения при импульсном зондировании океана // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990. Т. 26, № 3. С. 307–312.Vasilkov A.P., Kondranin T.V., Myasnikov E.V. Determination of the light scattering index profile based on the polar ization characteristics of back-reflected radiation during pulsed ocean sounding. Izvestiya AS USSR, Atmospheric and Ocean Physics. 1990;26(3):307–312 (in Russian).Goldin Yu.A., Rogozkin D.B., Sheberstov S.V. Polarized Lidar Sounding of Stratified Seawater // Proceedings of IV International Conference “Current Problems in Optics of Natural Waters (ONW’2007)”. Nizhny Novgorod. 2007. P. 175–178.Goldin Yu.A., Rogozkin D.B., Sheberstov S.V. Polarized Lidar Sounding of Stratified Seawater. Proceedings of IV Inter national Conference “Current Problems in Optics of Natural Waters (ONW’2007)”. Nizhny Novgorod; 2007. P. 175–178.Krekov G.M., Krekova M.M., Shamanaev V.S. Laser sensing of a subsurface oceanic layer. II. Polarization characteristics of signals // Applied Optics. 1998. Vol. 37. P. 1596–1601. doi:10.1364/AO.37.001596Krekov G.M., Krekova M.M., Shamanaev V.S. Laser sensing of a subsurface oceanic layer. II. Polarization characteris tics of signals. Applied Optics. 1998;37:1596–1601. doi:10.1364/AO.37.001596Churnside J.H. Polarization effects on oceanographic lidar // Optics express. 2008. Vol. 16, N 2. P. 1196–1207. doi:10.1364/OE.16.001196Churnside J.H. Polarization effects on oceanographic lidar. Optics express. 2008;16(2):1196–1207. doi:10.1364/OE.16.001196Коханенко Г.П., Балин Ю.С., Пеннер И.Э., Шаманаев В.С. Лидарные и in situ измерения оптических параметров поверхностных слоев воды в озере Байкал // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24, № 5. С. 377–385.Kokhanenko G.P., Balin Y.S., Penner I.E., Shamanaev V.S. Lidar and in situ measurements of the optical parameters of water surface layers in Lake Baikal. Atmospheric and Oceanic Optics. 2011;24(5):478–486. doi:10.1134/S1024856011050083Churnside J.H. Review of profiling oceanographic lidar // Optical Engineering. 2014. Vol. 53, N 5. P. 051405–051405. doi:10.1117/1.OE.53.5.051405Churnside J.H. Review of profiling oceanographic lidar. Optical Engineering. 2014;53(5):051405-051405. doi:10.1117/1.OE.53.5.051405Vasilkov A.P., Goldin Yu.A., Gureev B.A., Hoge F.E., Swift R.N., Wright C.W. Airborne polarized lidar detection of scattering layers in the ocean // Applied Optics. 2001. Vol. 40, N. 24. P. 4353–4364. doi:10.1364/AO.40.004353Vasilkov A.P., Goldin Yu.A., Gureev B.A., Hoge F.E., Swift R.N., Wright C.W. Airborne polarized lidar detection of scattering layers in the ocean. Applied Optics. 2001;40(24):4353–4364. doi:10.1364/AO.40.004353Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А. Экспериментальная оценка возможностей лидара ПЛД-1 по регистрации гидрооптических неоднородностей в толще морской среды // Фундаментальная и прикладная гидрофизи ка. 2017. Т. 10, № 2. С. 41–48. doi:10.7868/S207366731702006XGlukhov V.A., Goldin Yu.A., Rodionov M.A. Experimental estimation of the capabilities of the lidar PLD-1 for the registration of various hydro-optical irregularities of the sea water column. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2017;10(2):41–48 doi:10.7868/S207366731702006X (in Russian).Артемьев В.А., Таскаев В.Р., Григорьев А.В. Автономный прозрачномер ПУМ-200 // В сборнике: Современные методы и средства океанологических исследований (МСОИ-2021). Материалы XVII международной научно-технической конференции. Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН. 2021. С. 95–99.Artemiev V.A., Taskaev V.R., Grigoriev A.V. Autonomous transparent meter PUM-200. Materials of the XVII Interna tional Scientific and Technical Conference (MSOI-2021), Moscow: 2021. P. 95–99 (in Russian).Погосян С.И., Дургарян А.М., Конюхов И.В. и др. Абсорбционная спектроскопия микроводорослей цианобактерий и растворенного органического вещества: измерения во внутренней полости интегрирующей сферы // Океанология. 2009. Т. 49. С. 934–939.Pogosyan S.I., Durgaryan A.M., Konyukhov I.V. et al. Absorption spectroscopy of microalgae, cyanobacteria, and dis solved organic matter: Measurements in an integrating sphere cavity. Oceanology. 2009;49:866–871. doi:10.1134/S0001437009060125Глуховец Д.И., Шеберстов С.В., Копелевич О.В. и др. Измерения показателя поглощения морской воды с помо щью интегрирующей сферы // Светотехника. 2017. № 5. С. 39–43.Glukhovets D.I., Sheberstov S.V., Kopelevich O.V. et al. Measuring the sea water absorption factor using integrating sphere. Light & Engineering. 2018;26(1):120–126.Кравчишина М. Д, Клювиткин А. А, Новигатский А.Н. и др. 89-й рейс (1-й этап) научно-исследовательского суд на “Академик Мстислав Келдыш”: климатический эксперимент во взаимодействии с самолетом-лаборатори ей Ту-134 “Оптик” в Карском море // Океанология. 2023. Т. 63, № 3. С. 1–4. doi:10.31857/S0030157423030073Kravchishina M.D., Klyuvitkin A.A., Novigatskiy A.N. et al. The 89th cruise (1st stage) of the research vessel “Academi cian Mstislav Keldysh”: climatic experiment in interaction with the Tu-134 “Optik” laboratory aircraft in the Kara Sea. Oceanology. 2023;63(3):1–4. doi:10.31857/S0030157423030073Glukhovets D.I., Aglova E.A., Artemiev V.A. et al. Results of Hydrooptical Field Studies in the Barents and Kara Seas in September 2022 // Complex Investigation of the World Ocean (CIWO-2023). Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham. 2023. P. 439–445. doi:10.1007/978-3-031-47851-2_53Glukhovets D.I., Aglova E.A., Artemiev V.A. et al. Results of Hydrooptical Field Studies in the Barents and Kara Seas in September 2022. Complex Investigation of the World Ocean (CIWO-2023). Springer Proceedings in Earth and Environ mental Sciences. Cham: Springer; 2023. P. 439–445. doi:10.1007/978-3-031-47851-2_53Долин Л.С., Савельев В.А. О характеристиках сигнала обратного рассеяния при импульсном облучении мутной среды узким направленным световым пучком // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7, № 5. С. 505–510.Dolin L.S., Savelev V.A. Characteristics of the backscattering signal during pulsed irradiation of a turbid medium by a narrow directed light beam. Izvestiya AS USSR, Atmospheric and Ocean Physics. 1971;7:505–510 (in Russian).Ernst A. Multiple-scattering theory. New developments and applications. Halle-Wittenberg University. 2007. 65 с.Ernst A. Multiple-scattering theory. New developments and applications. Halle-Wittenberg University: 2007. 65 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.