Морские радиометрические лидары и их использование для решения океанологических задач

   Обзор посвящен океанологическим исследованиям, выполняемым с использованием радиометрических (профилирующих) лидаров. В работе представлено современное состояние технических средств лидарной съемки, методов обработки лидарных данных, описание решаемых с помощью лидарного зондирования задач, представляющих научный и практический интерес в океанологии. Вопросы, связанные с лазерной батиметрией, спектральными лидарами, а также лидарами, устанавливаемыми на борту искусственных спутников Земли, являющиеся самостоятельными специфическими разделами, в обзоре не рассматриваются. Основное внимание уделено работам, выполненным в последние годы. Приведены сводные таблицы технических характеристик ряда наиболее интересных лидаров авиационного и судового базирования. Рассмотрены особенности их конструкций. Представлены результаты использования лидаров для определения гидрооптических характеристик приповерхностного слоя, в том числе с использованием поляризационных лидаров и активно развивающихся в последние годы лидаров высокого спектрального разрешения. Приведены результаты регистрации тонких слоев повышенного светорассеяния, наблюдаемых в разных акваториях. Даны результаты теоретических исследований по лидарным изображениям внутренних волн и экспериментальные результаты наблюдения внутренних волн в водах с различными типами стратификации гидрооптических характеристик. Рассмотрены вопросы применения лидаров для решения задач промысловой океанологии. Намечены тенденции развития и основные направления продолжения исследований.

1. Collister B.L., Zimmerman R.C., Hill V.J. et al. Polarized lidar and ocean particles: insights from a mesoscale coccolithophore bloom // Applied Optics. 2020. Vol. 59, № 15. P. 4650–4662. doi: 10.1364/AO.389845

2. Коханенко Г.П., 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. doi: 10.1134/S1024856011050083

3. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Глитко О.В. и др. Лидарные исследования в первом этапе 89-го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш» // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2023. Т. 16, № 4. C. 107–115. doi: 10.59887/2073-6673.2023.16(4)-9

4. Peituo 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. Vol. 254. P. 107201. doi: 10.1016/j.jqsrt.2020.107201

5. Hoge F., Wright C., Krabill W. et al. Airborne lidar detection of subsurface oceanic scattering layers // Applied Optics 1988. Vol. 27. P. 3969–3977. doi: 10.1364/AO.27.003969

6. Churnside J.H., Donaghay P.L. Thin scattering layers observed by airborne lidar // ICES Journal of Marine Science. 2009. Vol. 66, N 4. P. 778–789. doi: 10.1093/icesjms/fsp029

7. Vasilkov A.P., Goldin Yu.A., Gureev B.A. et al. Airborne polarized lidar detection of scattering layers in the ocean // Applied Optics. 2001. Vol. 40, N 24. P. 4353–4364. doi: 10.1364/AO.40.004353

8. Chernook V.I., Goldin Yu.A., Vasilyev A.N. et al. Oceanological monitoring of fishing areas using lidars // Proceedings 2014 International Conference Laser Optics,. IEEE Xplore. 2014. P. 137–141. doi: 10.1109/LO.2014.6886388

9. Churnside J.H., Wilson J.J., Tatarskii V.V. Airborne lidar for fisheries applications // Optical Engineering. 2001. Vol. 40. P. 406–414. doi: 10.1117/1.1348000

10. Churnside J.H., Brown E.D., Parker-Stetter S. et al. Airborne remote sensing of a biological hot spot in the southeastern Bering Sea // Remote Sensing. 2011. Vol. 3, N 3. P. 621–637. doi: 10.3390/rs3030621

11. Bukin O.A., Major A.Y., Pavlov A.N. et al. Measurement of the lightscattering layers structure and detection of the dynamic processes in the upper ocean layer by shipborne lidar // International Journal of Remote Sensing. 1998. Vol. 19, N 4. P. 707–715. doi: 10.1080/014311698215946

12. Churnside J.H., Marchbanks R.D., Le J.H. et al. Airborne lidar detection and characterization of internal waves in a shallow fjord // Journal of Applied Remote Sensing. 2012. Vol. 6, N 1. P. 063611–063611. doi: 10.1117/1.JRS.6.063611

13. Churnside J.H., Ostrovsky L.A. Lidar observation of a strongly nonlinear internal wave train in the Gulf of Alaska // International Journal of Remote Sensing. 2005. Vol. 26, N 1. P. 167–177. doi: 10.1080/01431160410001735076

14. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А. Лидарный метод регистрации внутренних волн в водах с двухслойной стратификацией гидрооптических характеристик // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14, № 3. С. 86–97. doi: 10.7868/S2073667321030084

15. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Жегулин Г.В., Родионов М.А. Комплексная обработка данных лидарной съемки морских акваторий // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 3. С. 27–42. doi: 10.48612/fpg/26nu-3hte-3n48

16. Kattawar G.W., Plass G.N. Time of Flight Lidar Measurements as an Ocean Probe // Applied Optics. 1972. Vol. 11, N 3. P. 662. doi: 10.1364/ao.11.000662

17. Hoge F.E., Swift R.N., Frederick E.B. Water depth measurement using an airborne pulsed neon laser system // Applied Optics 1980. Vol. 19. P. 871–883. doi: 10.1364/AO.19.000871

18. Браво-Животовский Д.М., Гордеев Л.Б., Долин Л.С., Моченев С.Б. Определение показателей поглощения и рассеяния 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.

19. Gordon H.R. Interpretation of airborne oceanic lidar: effects of multiple scattering // Applied Optics. 1982. Vol. 21, N 16. P. 2996–3001.

20. Squire J.L., Krumboltz H. Profiling pelagic fish schools using airborne optical lasers and other remote sensing techniques // Marine Technology Society Journal. 1981. Vol. 15. P. 27–31.

21. Fredriksson K., Galle B., Nystrom K., Svanberg S., Ostrom B. Underwater laser-radar experiments for bathymetry and fish-school detection // Chalmers Univ. of Tech., Götenborg Inst. of Physics Rep. GIPR-162. 1978. 28 p.

22. Браво-Животовский Д.М., Долин Л.С., Савельев В.А. и др. Оптические методы диагностики океана. Лазерное дистанционное зондирование // Дистанционные методы изучения океана. Горький: ИПФ АН СССР, 1987. С. 84–125.

23. Гольдин Ю.А., Лучинин А.Г. Авиационные лидарные методы исследования вертикальной структуры оптических характеристик верхнего слоя океана // Приповерхностный слой океана: физические процессы и дистанционное зондирование / Под ред. Е.Н. Пелиновского, В.И. Таланова. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 1999. С. 345–381.

24. Churnside J.H. Review of profiling oceanographic lidar // Optical Engineering. 2014. Vol. 53, N 5. P. 051405–051405. doi: 10.1117/1.OE.53.5.051405

25. Churnside J.H., Shaw J.A. Lidar remote sensing of the aquatic environment: invited // Applied Optics. 2020. Vol. 59. P. 92–99. doi: 10.1364/AO.59.000C92

26. Feigels V.I., Kopilevich Yu.I. Russian airborne lidar systems: comparative analysis and new ideas // Proceedings SPIE 3761, Airborne and In-Water Underwater Imaging, (28 October 1999). doi: 10.1117/12.366475

27. Chen W., Chen P., Zhang H. et al. Review of airborne oceanic lidar remote sensing // Intelligent Marine Technology Systems. 2023. Vol. 1, N 10. doi: 10.1007/s44295-023-00007-y

28. Liu X., Zhang L., Zhai X., et al. Polarization Lidar: Principles and Applications // Photonics. 2023. Vol. 10, N1118. doi: 10.3390/photonics10101118

29. Пеннер И.Э., Шаманаев В.С. Опыт совместного зондирования моря судовым и самолетным лидарами // Оптика атмосферы и океана. 1993. Т. 6, № 01. С. 107–111.

30. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Глитко О.В., Родионов М.А. Авиационный поляризационный лидар для съемки морских акваторий // Труды XXVIII Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», г. Томск, 04–08 июля 2022 г. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2022. С. 187–190.

31. Goldin Y.A., Vasilev A.N., Lisovskiy A.S., Chernook V.I. Results of Barents Sea airborne lidar survey // Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters SPIE. 2007. Vol. 6615. P. 126–136. doi: 10.1117/12.740456

32. Шаманаев В.С. Самолетные лидары ИОА СО РАН для зондирования оптически плотных сред // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28, № 03. С. 260–266. doi: 10.1134/S1024856015040120

33. Chen P., Delu P. Ocean optical profiling in South China Sea using airborne LiDAR // Remote Sensing. 2019. Vol. 11, N 15. P. 1826. URL: https://www.mdpi.com/2072-4292/11/15/1826

34. Li K., He Y., Ma J. et al. A dual-wavelength ocean lidar for vertical profiling of oceanic backscatter and attenuation // Remote Sensing. 2020. Vol. 12, N 17. P. 2844. doi: 10.3390/rs12172844

35. Глухов 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 гидрофизика. 2017. Т. 10, № 2. С. 41–48. URL: https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/882

36. Степанов А.Н., Рогов С.А., Карпов С.Н. и др. Судовой лидар для гидрологических исследований // Оптический журнал. 2008. Т. 75, № 2. C. 43–49.

37. Qun L., Xiaoyu C., Weibiao C. et al. A semianalytic Monte Carlo radiative transfer model for polarized oceanic lidar: Experiment-based comparisons and multiple scattering effects analyses // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2019. Vol. 237. P. 106638. doi: 10.1016/j.jqsrt.2019.106638

38. Goldin Y.A., Gureev B.A., Ventskut Y.I. Shipboard polarized lidar for seawater column sounding // Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters SPIE. 2007. Vol. 6615. P. 152–159. doi: 10.1117/12.740466

39. Gray D.J., Anderson J., Nelson J., Edwards J. Using a multiwavelength LiDAR for improved remote sensing of natural waters // Applied Optics. 2015. Vol. 54, N 31. P. 232–242. doi: 10.1364/AO.54.00F232

40. Kattawar G.W., Xu X. Filling in of Fraunhofer lines in the ocean by Raman scattering // Applied Optics. 1992. Vol. 31. P. 6491–6500. doi: 10.1364/AO.31.006491

41. Ляшенко А.И., Гольдин Ю.А., Володина Е.М., Кукушкин В.А. Трёхволновая лазерная система на АИГ: Nd³⁺ для лидарного зондирования морских акваторий // Светотехника. 2022. № 5. С. 71–74. doi: 10.33383/2022–086

42. Allocca D.M. et al. Ocean water clarity measurement using shipboard lidar systems // 2002. Vol. 4488. P. 106–114. doi: 10.1117/12.452807

43. Collister B.L., Zimmerman R.C., Sukenik C.I., Hill V.J., Balch W.M. Remote sensing of optical characteristics and particle distributions of the upper ocean using shipboard lidar // Remote Sensing of Environment. 2018. Vol. 215. P. 85–96. doi: 10.1016/j.rse.2018.05.032

44. Churnside J.H. Polarization effects on oceanographic lidar // Optic Express. 2008. Vol. 16. P. 1196–1207. doi: 10.1364/OE.16.001196

45. 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.37.001596

46. Becker W. Advanced time-correlated single photon counting techniques // Springer Series in Chemical Physics. 2005. Vol. 81. 349 p.

47. Shen X., Kong W., Chen P. et al. A shipborne photon-counting lidar for depth-resolved ocean observation // Remote Sensing. 2022. Vol. 14, N 3351. doi: 10.3390/rs14143351

48. Долин 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.

49. Gordon H.R. Can the Lambert — Beer low be applied to the diffuse attenuation coefficient of ocean water? // Limnology and Oceanography. 1989. Vol. 34, N 8. P. 1389–1409.

50. Шаманаев В.С., Пеннер И.Э., Коханенко Г.П. Авиалидарные исследования морской акватории. Ч. 2. Длинные трассы // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15, № 7. С. 608.

51. Васильков 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.

52. 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.

53. Churnside J.H., Marchbanks R.D. Calibration of an airborne oceanographic lidar using ocean backscattering measurements from space // Optic Express. 2019. Vol. 27. P. A536–A542. doi: 10.1364/OE.27.00A536

54. Shipley S.T. et al. High spectral resolution lidar to measure optical scattering properties of atmospheric aerosols. 1: theory and instrumentation // Applied Optics. 1983. Vol. 22, N 23. P. 3716–3724. doi: 10.1364/AO.22.003716

55. Churnside J., Hair J., Hostetler C., Scarino A. Ocean backscatter profiling using high-spectral-resolution lidar and a perturbation retrieval // Remote Sensing. 2018. Vol. 10. P. 2003. doi: 10.3390/rs10122003

56. Zhou 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/s41377-022-00951-0

57. Schulien 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.25.013577

58. Liu D., Hostetler C., Miller I. et al. System analysis of a tilted field-widened Michelson interferometer for high spectral resolution lidar // Optic Express. 2012. Vol. 20, N 2. P. 1406–1420. doi: 10.1364/OE.20.001406

59. O’Connor C.L., Schlupf J.P. Brillouin scattering in water: the Landau-Placzek ratio // The Journal of Chemical Physics. 1967. Vol. 47, N 1. P. 31–38. doi: 10.1063/1.1711865

60. Leonard D.A., Sweeney H.E. Remote sensing of ocean physical properties: a comparison of Raman and brillouin techniques // Proceedings SPIE0925, Ocean Optics IX, (12 August 1988). doi: 10.1117/12.945749

61. Zhou Y., Liu D., Xu P. et al. Retrieving the seawater volume scattering function at the 180° scattering angle with a high-spectral-resolution lidar // Optic Express. 2017. Vol. 25. P. 11813–11826. doi: 10.1364/OE.25.011813

62. Sullivan J.M., Twardowski M.S. Angular shape of the oceanic particulate volume scattering function in the backward direction // Applied Optics. 2009. Vol. 48. P. 6811–6819. doi: 10.1364/AO.48.006811

63. Montes-Hugo M.A., et al. Spatial coherence between remotely sensed ocean color data and vertical distribution of lidar backscattering in coastal stratified waters // Remote Sensing of Environment. 2010. Vol. 114, 11. P. 2584–2593. doi: 10.1016/j.rse.2010.05.023

64. Ronald J., Zanaveld R. Remotely sensed reflectance and its dependence on vertical structure: A theoretical derivation // Applied Optics. 1982. Vol. 21. P. 4146–4150. doi: 10.1364/AO.21.004146

65. Churnside J.H., Marchbanks R.D., Vagle S. et al. Stratification, plankton layers, and mixing measured by airborne lidar in the Chukchi and Beaufort seas // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2020. Vol. 177. P. 104742. doi: 10.1016/j.dsr2.2020.104742

66. Churnside J.H., Marchbanks R.D., Marshall N. Airborne Lidar Observations of a Spring Phytoplankton Bloom in the Western Arctic Ocean // Remote Sensing. 2021. Vol. 13. P. 2512. doi: 10.3390/rs13132512

67. Churnside J.H., Marchbanks R.D. Subsurface plankton layers in the Arctic Ocean // Geophysical Research Letters. 2015. Vol. 42, N 12. P. 4896–4902. doi: 10.1002/2015GL064503

68. Dassow P., Engh G., Iglesias-Rodriguez D., Gittins J.R. Calcification state of coccolithophores can be assessed by light scatter depolarization measurements with flow cytometry // Journal of Plankton Research. 2012. Vol. 34, N 12. P. 1011–1027. doi: 10.1093/plankt/fbs061

69. Chen P., Jamet C., Liu D. LiDAR Remote Sensing for Vertical Distribution of Seawater Optical Properties and Chlorophyll-a From the East China Sea to the South China Sea // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022. Vol. 60. P. 1–21. doi: 10.1109/TGRS.2022.3174230

70. Roddewig M.R., Churnside J.H., et al. Airborne lidar detection and mapping of invasive lake trout in Yellowstone Lake // Applied Optics. 2018. Vol. 57, 15. P. 4111–4116. doi: 10.1364/AO.57.004111

71. Chen P., Mao Z., Zhang Z. et al. Detecting subsurface phytoplankton layer in Qiandao Lake using shipborne lidar // Optics Express. 2020. Vol. 28, N 1. P. 558–569. doi: 10.1364/OE.381617

72. Родионов М.А., Долина И.С., Левин И.М. Корреляции между вертикальными распределениями показателя ослабления света и плотности воды в Северных морях // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2012. Т. 5, № 4. С. 39–46.

73. Walker R.E., Fraser A.B., Mastracci L., Hochheimer B.F. Optical sounding for internal waves on the ocean thermocline // Oceans 82 Conference P. 247–250. Record (Washington, DC: American Geophysical Union). 1982. 20–22 September 1982.

74. Долин Л.С., Долина И.С., Савельев В.А. Лидарный метод определения характеристик внутренних волн // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 4. С. 501–501.

75. Долин Л.С., Долина И.С. Модель лидарных изображений нелинейных внутренних волн // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 2. С. 224–224.

76. Долина И.С., Долин Л.С. Влияние сдвиговых течений на структуру лидарных изображений нелинейных внутренних волн // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2014. Т. 7, № 4. С. 49–56.

77. Долина И.С., Долин Л.С. Моделирование лидарных изображений нелинейных внутренних волн в мелком море // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2017. Т. 10, № 1. С. 31–36.

78. Долина И.С., Долин Л.С. Алгоритмы определения спектрально-энергетических характеристик случайного поля внутренних волн по лидарным эхо-сигналам // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 47–54. doi: 10.7868/S2073667318030061

79. Dolin L.S., Dolina I.S. Algorithms for determining the spectral-energy characteristics of a random field of internal waves from fluctuations of lidar echo signals // Applied Optics. 2020. Vol. 59, N 10. P. C78–C86. doi: 10.1364/AO.381675

80. Химченко Е.Е., Серебряный А.Н. Внутренние волны на Кавказском и Крымском шельфах Черного моря (по летне-осенним наблюдениям 2011–2016 гг.) // Океанологические исследования. 2018. Т. 46, № 2. С. 69–87. doi: 10.29006/1564-2291.JOR-2018.46(2).7

81. Иванов В.А., Шульга Т.Я., Багаев А.В. и др. Внутренние волны на шельфе Черного моря в районе Гераклейского полуострова: моделирование и наблюдение // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 4. С. 332–340. doi: 10.22449/0233-7584-2019-4-322-340

82. Churnside J.H., McGillivary P.A. Optical properties of several Pacific fishes // Applied Optics. 1991. Vol. 30, N 21. P. 2925–2927. doi: 10.1364/AO.30.002925

83. Churnside J.H., Hunter J. Laser remote sensing of epipelagic fishes // Laser Remote Sensing of Natural Waters: From Theory to Practice, Proceedings SPIE. 1996. Vol. 2964. P. 38–53. doi: 10.1117/12.258352

84. Gauldie R.W., Sharma S.K., Helsley C.E. LIDAR applications to fisheries monitoring problems // Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 1996. Vol. 53. P. 1459–1468. doi: 10.1139/cjfas-53–6–1459

85. Krekova M.M., Krekov G.M., Samokhvalov I.V., Shamonaev V.S. Numerical evalution of the possibilities of remote laser sensing of fish schools // Applied Optics. 1994. Vol. 33, N 24. P. 5715–5720. doi: 10.1364/AO.33.005715

86. Шаманаев В.С. обнаружение косяков морских рыб с помощью метода поляризационного лазерного зондирования // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31, № 4. С. 268–274. doi: 10.15372/AOO20180404

87. Tenningen E., Churnside J.H., Slotte A., Wilson J.J. Lidar target-strength measurements on Northeast Atlantic mackerel (Scomber scombrus) // ICES Journal of Marine Science. 2006. Vol. 63. P. 677–682. doi: 10.1016/j.icesjms.2005.11.018

88. Churnside J.H. et al. Comparisons of lidar, acoustic and trawl data on two scales in the Northeast Pacific Ocean // Cal-COFI Rep. 2009. Vol. 50. P. 118–122.

89. Chernook V. et al. Lidar signals identification during aerial surveys of pelagic fishes // International Symposium on Ecosystem Approach with Fisheries Acoustics and Complementary Technologies (SEAFACTS). Bergen, Norway, 16–20 June 2008. Book of Abstracts. P. 45.

90. Гольдин Ю.А., Черноок В.И., Алексеев А.М., Васильев А.Н. Авиационные лидары в промыслово-океанологических исследованиях // XII Международная конференция по промысловой океанологии. Тезисы докладов. Изд. АтлантНИРО. Калининград, 2002. С. 66–68.

91. Гольдин Ю.А., Черноок В.И., Васильев А.Н., Лисовский А.С., Алексеев А.М. Исследование пространственной изменчивости оптических характеристик морской воды с использованием поляризационного авиационного лидара // Труды 7-й Международной конференции «ГА-2004». С.- Петербург, 2004. C. 212–215. doi: 10.1016/j.icesjms.2005.11.018