Радиометрические лидары. Результаты лидарного зондирования морских акваторий и перспективы применения для решения научных и прикладных задач

В работе представлен обзор основных результатов современных исследований в акваториях морей России, выполненных с использованием морских радиометрических лидаров, разработанных в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН) и его Санкт-Петербургском филиале. С лидарами ИО РАН с борта судна и авианосителя были проведены натурные исследования в прибрежных районах Баренцева, Карского, Охотского, Черного морей и Авачинского залива Тихого океана, направленные на решение актуальных задач лидарного зондирования.

Рассматриваются результаты применения морских лидаров для оценки гидрооптических характеристик приповерхностного слоя, регистрации внутренних волн и оценки их параметров, а также для исследования влияния протяженности трассы зондирования на проведение лидарной съемки рельефа дна в труднодоступных высокогорных прибрежных районах. Особенностью созданных в ИО РАН лидаров судового (ПЛД‑1) и авиационного (АПЛ‑3) базирования стало использование двухканальной приемной системы для регистрации поляризованных компонент лидарных эхо-сигналов. Применение разработанных модулей цифровой обработки информации позволило автоматизировать процесс лидарной съемки.

Актуальность и практическая значимость рассматриваемых задач определяет необходимость развития отечественных технологий в области дистанционного зондирования, в частности для использования в лидарной съемке автономных необитаемых подводных, надводных и воздушных аппаратов.

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, No. 15. P. 4650–4662. EDN PWHSKU. https://doi.org/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. EDN NUXZMB

3. 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 (Suppl 1). P. S119–S130. EDN ZXMTFQ. https://doi.org/10.1134/S0001437023070044

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. EDN DZGWAC. https://doi.org/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. https://doi.org/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, No. 4. P. 778–789. EDN MYWKLP. https://doi.org/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, No. 24. P. 4353–4364. EDN LGLRSB. https://doi.org/10.1364/AO.40.004353

8. Chen P., Jamet C., Zhang Z., He Y., et al. Vertical distribution of subsurface phytoplankton layer in South China Sea using airborne lidar // Remote Sensing of Environment. 2021. Vol. 263. P. 112567. EDN ORLSBS. https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112567

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

10. 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. EDN UEYCNV. https://doi.org/10.1109/LO.2014.6886388

11. Vannoy T.C., Belford J., Aist J.N., Rust K.R., et al. Machine learning-based region of interest detection in airborne lidar fisheries surveys // Journal of Applied Remote Sensing. 2021. Vol. 15, No. 3. P. 038503. EDN TYEEEN. https://doi.org/10.1117/1.JRS.15.038503

12. 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, No. 4. P. 707–715. EDN LEQTZJ. https://doi.org/10.1080/014311698215946

13. 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. EDN UTDAVV. https://doi.org/10.1117/1.JRS.6.063611

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. EDN FZLYDG. https://doi.org/10.7868/S2073667321030084

15. Philpot W. Airborne Laser Hydrography II. 2019. https://doi.org/10.7298/JXM9-G971

16. Szafarczyk A., Toś C. The use of green laser in LiDAR bathymetry: State of the art and recent advancements // Sensors. 2022. Vol. 23, No. 1. P. 292. EDN ZGQTLZ. https://doi.org/10.3390/s23010292

17. Mandlburger G. A review of active and passive optical methods in hydrography // The International Hydrographic Review. 2022. N. 28. P. 8–52. EDN AOUMWW. https://doi.org/10.58440/ihr‑28-a15

18. Churnside J.H., Shaw J.A. Lidar remote sensing of the aquatic environment: invited // Applied Optics. 2020. Vol. 59, No. 10. P. 92–99. EDN MUUGMN. https://doi.org/10.1364/AO.59.000C92

19. Reineman B.D., et al. A portable airborne scanning lidar system for ocean and coastal applications // Journal of Atmospheric and oceanic technology. 2009. Vol. 26, No. 12. P. 2626–2641. EDN MZELDT. https://doi.org/10.1175/2009JTECHO703.1

20. 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, No. 261. EDN XZAFOB. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00951-0

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

22. Chen W., Chen P., Zhang H. et al. Review of airborne oceanic lidar remote sensing // Intelligent Marine Technology Systems. 2023. Vol. 1, No. 10. EDN CKSHDC. https://doi.org/10.1007/s44295-023-00007-y

23. 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. EDN YMUPXI. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(1)-9

24. 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. EDN YTMHRF. https://doi.org/10.7868/S207366731702006X

25. 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, № 4. С. 85–93. EDN ZCARMN. https://doi.org/10.7868/S2073667319040105

26. 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. EDN HIBXYI. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2023.16(4)-9

27. Паничева Е.Д., Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Глитко О.В. Применение авиационного поляризационного лидара для регистрации светорассеивающих слоев в прибрежных районах Охотского моря // Труды XIII Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы оптики естественных вод». Санкт-Петербург, 8–10 октября 2025 г. СПбФ ИО РАН, 2025 г., С. 163–171. EDN CLQDCH.

28. Глухов В.А., Свергун Е.И., Гольдин Ю.А., Глитко О.В. Регистрация внутренних волн в Бечевинской бухте с использованием авиаиционного лидара и фотокамеры // Труды XIII Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы оптики естественных вод». Санкт-Петербург, 8–10 октября 2025 г. СПбФ ИО РАН, 2025. С. 120–124. EDN DXHNWO

29. Quadros N.N.D. Unlocking the characteristics of bathymetric LiDAR sensors // LiDAR Mag. 2013. Vol. 3, № . 6. P. 62–67.

30. 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. EDN LFBHIR. https://doi.org/10.1364/AO.37.001596

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

32. 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, № 3. С. 32–43. EDN DEOVKB. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(3)-3

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

34. 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.

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

36. Goldin Yu.A., Glukhovets D.I., Gureev B.A., et al. Shipboard flow-through complex for measuring biooptical and hydrological seawater characteristics // Oceanology. 2020. Vol. 60, No. 5. P. 713–720. EDN RCOZUM. https://doi.org/10.1134/S0001437020040104

37. Glukhovets D.I., Goldin Y.A. Surface desalinated layer distribution in the Kara Sea determined by shipboard and satellite data // Oceanologia. 2020. Vol. 62, No. 3. P. 364–373. EDN JQPEVZ. https://doi.org/10.1016/j.oceano.2020.04.002

38. Glukhov V.A., Goldin Yu.A., Glitko O.V., Aglova E.A., Rodionov M.A. The use of polarization lidar for the registration of horizontal spatial distributions of seawater beam attenuation coefficient // Atmospheric and Oceanic Optics. 2024. Vol. 3, No. S1. P. S162–S168. EDN MVERRL. https://doi.org/10.1134/S1024856024701446

39. Левин И.М., Родионов М.А., Французов О.Н. Погружаемый измеритель показателя ослабления света морской водой // Оптический журнал. 2011. Т. 78, № 5. С. 59–63. EDN TWWRQX

40. Левин И.М., Долин Л.С., Французов О.Н., Родионов М.А., Осадчий В.Ю., Савченко В.В. Глубинные профили гидрофизических параметров в Баренцевом море применительно к проблеме лидарного зондирования // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2009. T. 4. C. 16–24. EDN KYGTJB

41. 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. EDN QAVELH.

42. 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.

43. 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. EDN RYAMIX. https://doi.org/10.7868/S0002351514020023

44. Родионов М.А. Моделирование лидарных изображений внутренних волн по результатам измерений гидрооптических и гидрофизических параметров в северных морях // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2011. Т. 4, No. 4. С. 80–87. EDN OOFFLZ.

45. 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. EDN DCRZFG. https://doi.org/10.59887/fpg/26nu-3hte-3n48

46. Feygels V.I., Park J.Y., Wozencraft J., et al. CZMIL (coastal zone mapping and imaging lidar): from first flights to first mission through system validation // Proceedings of SPIE8724, Ocean Sensing and Monitoring. 2012. Vol. 87240A. https://doi.org/10.1117/12.2017935

47. 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. https://doi.org/10.3390/rs70506160

48. 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. EDN YUWOGX. https://doi.org/10.2112/SI76-003

49. Kim M. Airborne Waveform Lidar Simulator Using the Radiative Transfer of a Laser Pulse // Applied Sciences. 2019. Vol. 9, No. 12. P. 2452. EDN JRTWOA. https://doi.org/10.3390/app9122452

50. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Глитко О.В. Исследование зависимости характеристик лидарного эхо-сигнала от протяженности трассы зондирования // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2025. Т. 18, № 2. С. 151–161. EDN QWDKNG. https://doi.org/10.59887/207-6673.2025.18(2)-11

51. Долин Л.С. Теоретическая модель лидарного сигнала, рассеянного водной толщей с зависящими от глубины оптическими свойствами // Труды XIII Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы оптики естественных вод». Санкт-Петербург, 8–10 октября 2025 г. СПбФ ИО РАН, 2025 г., С. 26–31. EDN OYELAT.