Исследование зависимости характеристик лидарного эхо-сигнала от протяженности трассы зондирования

Натурные измерения характеристик отраженного от дна эхо-сигнала выполнены в акватории Бечевинской бухты. При проведении исследований использован авиационный поляризационный лидар АПЛ‑3 (энергия зондирующего импульса 45 мДж, диаметр приемной оптической системы 100 мм, длительность импульсной характеристики лидара по уровню 0,5–10,8 нс). Диапазон изменения глубин при проведении исследований составил от 3 до 22 м, высота полета менялась от 500 до 1200 м. Оценка гидрооптических характеристик вод бухты проводилась по данным лидарного зондирования. Результаты натурных экспериментов показали, что зависимость величины и формы лидарного эхо-сигнала от протяженности трассы зондирования при регистрации слоев воды и морского дна имеет более сложный вид, чем это следует из общепринятой формы записи лидарного уравнения. Введение дополнительного члена в лидарное уравнение, определяющего дисперсию распределения освещенности в поперечном сечении бесконечно узкого пучка света, прошедшего через водный слой заданной толщины, позволило более точно описать полученные экспериментальные зависимости. Зарегистрированный эффект необходимо учитывать при проектировании лидарных комплексов, а также при обработке и анализе данных лидарной съемки.

1. Churnside J.H. Review of profiling oceanographic lidar // Optical Engineering. 2014. Vol. 53, No 5. P. 051405–051405. doi:10.1117/1.OE.53.5.051405 EDN: SOSNBF

2. Chen W., Chen P., Zhang H. et al. Review of airborne oceanic lidar remote sensing // Intelligent Marine Technology Systems. 2023. Vol. 1, N10. doi:10.1007/s44295-023-00007-y EDN: CKSHDC

3. Глухов В.А., Гольдин Ю.А. Морские радиометрические лидары и их использование для решения океанологических задач // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2024. Т. 17, No 1. С. 104–128. doi:10.59887/2073-6673.2024.17(1)-9 EDN: YMUPXI

4. 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, N24. P. 4353–4364. doi:10.1364/AO.40.004353 EDN: LGLRSB

5. Churnside J.H., Donaghay P.L. Thin scattering layers observed by airborne lidar // ICES Journal of Marine Science. 2009. Vol. 66, No 4. P. 778–789. doi:10.1093/icesjms/fsp029 EDN: MYWKLP

6. 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, No 15. P. 4650–4662. doi:10.1364/AO.389845 EDN: PWHSKU

7. 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 EDN: DZGWAC

8. 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 EDN: ZXMTFQ

9. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Глитко О.В., Глуховец Д.И., Родионов М.А. Сопоставление информативности ортогонально поляризованных компонент лидарного эхо-сигнала для оценки гидрооптических характеристик приповерхностного слоя // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2024. Т. 17. No. 3. С. 32–43. doi:10.59887/2073-6673.2024.17(3)-3 EDN: DEOVKB

10. 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, No 1. P. 063611–063611. doi:10.1117/1.JRS.6.063611 EDN: UTDAVV

11. 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. EDN: PANHOZ

12. 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, No 3. С. 86–97. doi:10.7868/S2073667321030084 EDN: FZLYDG

13. Philpot W. Airborne Laser Hydrography II. 2019. doi:10.7298/JXM9-G971

14. Riegl VQ‐880‐G Data sheet [Электронный ресурс]. URL: http://www.riegl.com/uploads/tx_pxpriegldownloads/Infosheet_VQ‑880-G_2016-05-23.pdf (дата обращения: 21.02.2025).

15. Lin Wu, Yifu Chen, Yuan Le et al. A high-precision fusion bathymetry of multi-channel waveform curvature for bathymetric LiDAR systems // International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 2024. Vol. 128, No. 103770. doi:10.1016/j.jag.2024.103770 EDN: GPBYXD

16. Mandlburger G. A review of active and passive optical methods in hydrography // The International Hydrographic Review. 2022. No. 28. P. 8–52. doi:10.58440/ihr‑28-a15 EDN: AOUMWW

17. Mandlburger G., Hauer C., Wieser M., Pfeifer N. Topo-Bathymetric LiDAR for Monitoring River Morphodynamics and Instream Habitats — A Case Study at the Pielach River // Remote Sensing. 2015. Vol. 7. P. 6160–6195. doi:10.3390/rs70506160

18. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А., Гуреев Б.А., Глитко О.В. Авиационная лидарная батиметрическая съемка прибрежных акваторий с большой высоты // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, No. 4. С. 85–93. doi:10.7868/S2073667319040105 EDN: ZCARMN

19. Churnside J. H., Hair J.W., Hostetler C.A., Scarino A.J. Ocean backscatter profiling using high-spectral-resolution lidar and a perturbation retrieval // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, No. 12. P. 2003. doi:10.3390/rs10122003 EDN: YXVEZQ

20. Lu X., Hu Y., Trepte C., Zeng S., Churnside J.H. Ocean sub-surface studies with the CALIPSO spaceborne lidar // J. Geophys. Res. Oceans. 2014. Vol. 119. P. 4305–4317. doi:10.1002/2014JC009970 EDN: UVNTSD

21. Kim M., Kopilevich Y., Feygels V. et al. Modeling of airborne bathymetric lidar waveforms // Advances in Topobathymetric Mapping, Models, and Applications. Journal of Coastal Research, Special Issue. 2016. No. 76. P. 18–30. doi:10.2112/SI76-003 EDN: YUWOGX

22. Kim M. Airborne Waveform Lidar Simulator Using the Radiative Transfer of a Laser Pulse // Appl. Sci. 2019. Vol. 9, No. 12. P. 2452. doi:10.3390/app9122452 EDN: JRTWOA

23. 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. EDN: OOMJPU

24. Глухов В.А. Закономерности формирования сигналов обратного рассеяния при лидарном зондировании приповерхностных слоев морской воды и дна: дис. … канд. физ.-мат. наук. М., 2024. 115 с.

25. Wang C. K., Philpot W.D. Using airborne bathymetric lidar to detect bottom type variation in shallow waters // Remote sensing of Environment. 2007. Vol. 106, № . 1. P. 123–135. doi:10.1016/j.rse.2006.08.003 EDN: LWZDYT

26. Gordon H.R. Interpretation of airborne oceanic lidar: effects of multiple scattering // Applied Optics. 1982. Vol. 21, No 16. P. 2996–3001. doi: 10.1364/AO.21.002996

27. 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.