Сопоставление информативности ортогонально поляризованных компонент лидарного эхо-сигнала для оценки гидрооптических характеристик приповерхностного слоя

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.

1. Глухов 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)-9

2. Браво-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.

3. 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.2020.107201

4. Collister 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.389845

5. Glukhov 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/S0001437023070044

6. Глухов 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)-9

7. Chen 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.2024.114166

8. 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

9. 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

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

11. 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.

12. 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.2004.01.002

13. 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.

14. 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.

15. 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

16. Churnside J.H. Polarization effects on oceanographic lidar // Optics express. 2008. Vol. 16, N 2. P. 1196–1207. doi:10.1364/OE.16.001196

17. Коханенко 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.

18. 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

19. Vasilkov 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.40.004353

20. 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 гидрофизи ка. 2017. Т. 10, № 2. С. 41–48. doi:10.7868/S207366731702006X

21. 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.

22. 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.

23. Глуховец 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.

24. 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/S0030157423030073

25. Glukhovets 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_53

26. 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.

27. Ernst A. Multiple-scattering theory. New developments and applications. Halle-Wittenberg University. 2007. 65 с.