撰稿人：陶雨婷
单位：浙江大学宁波研究院光电科学与工程学院
引用格式
陶雨婷,赵泓楷,周雨迪,卓文淇,刘群,崔晓宇,刘斌,乐成峰,潘孙强,刘崇,刘东.CALIOP反演海洋颗粒物后向散射系数方法概述[J].红外与激光工程,,50(6):1037.doi:10./IRLA1037
导读
颗粒物后向散射系数(particulatebackscatteringcoefficient,b_bp)是海洋光学应用于海洋生态学和生物地球化学研究的核心参数。但目前常用的原位方法无法短时间大范围探测，被动水色遥感无法在缺乏光照以及有云的条件下工作，相比之下，主动遥感方式星载激光雷达可以突破以上限制，在海洋探测方面具有极大的优越性。年发射的CALIOP成为首个能够提供全球海洋b_bp数据的星载激光雷达，特别是为极地观测和昼夜观测提供了重要数据。文中详细介绍了CALIOP系统原理及其三级主要数据产品，重点梳理了利用CALIOPnm偏振通道退偏比反演b_bp的方法以及后续的退卷积校正系统瞬态响应等改进措施，总结出了一套详细完整的反演流程，开发出对应算法并展示了b_bp反演结果，旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。该文章由浙江大学陶雨婷所在团队发表于《红外与激光工程》年6期特约专栏“海洋激光雷达遥感”。
研究背景
颗粒物后向散射系数(particulatebackscatteringcoefficient,b_bp)是海洋光学中研究海洋生态学和生物地球化学的核心参数。利用b_bp可以估算叶绿素浓度、浮游植物初级生产力、颗粒有机碳含量、颗粒大小等重要的海洋特性。因此，b_bp的精确探测，对于海洋科学研究意义重大。
图1利用b_bp探索极地浮游植物生产量年际变化
图2海洋碳循环
b_bp的测量通常采用原位方法或被动水色卫星遥感，前者只能将测量仪器搭载于船舶或浮标进行现场观测，无法在短时间进行大范围的探测，在全球海洋环境探测方面存在局限性。被动水色卫星遥感选择依赖自然光的测量方法，无法在夜间、云层较厚的白天以及高纬度的极地进行工作。
图3原位探测：定点观测
图4被动水色卫星遥感MODIS
而星载激光雷达则可以突破此限制，它利用发射的脉冲激光获取水体数据，是一种主动探测技术。其主要优势在于，不依赖于太阳光提供光源，从而为研究浮游生物特性的昼夜变化和在极夜期间的持续观察提供了可能。此外，相较于全球探测能力会受到大气和太阳高度角的干扰的被动水色遥感手段，激光雷达的探测精度更高。
图5激光雷达探测原理
目前在轨运行的主要星载激光雷达是由美国国家航天局(NASA)与法国国家航天中心(CNES)合作研制的正交偏振云和气溶胶激光雷达(CloudAerosolLidarwithOrthogonalPolarization,CALIOP)，其于年4月28日搭载云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星(CloudAerosolLidarandInfraredPathfinderSatelliteObservations,CALIPSO)发射。CALIOP每16天重复一次相同的地面轨道，向地面发射两个波长（nm和nm）的激光脉冲，而其中nm对海水的穿透能力较强，在大气中的垂直分辨率为30m，在水中的垂直分辨率约为22.5m，其获得的全球多年数据集为我们提供了一个关于地球海洋的新视角。
图6CALIPSO卫星探测大气与海洋
年，Churnside等人验证了利用CALIOP数据探测海洋次表层信息的可能性；同年，Behrenfeld等人提出了通过CALIOPnm的正交偏振通道的信号反演b_bp的可行方法。年Lu等人改进了上述算法，去除了激光雷达瞬态响应对衰减后向散射的影响。年Behrenfeld等人使用CALIOP观测数据研究了极地浮游植物生物量年际循环，突破了被动水色遥感在极夜无法观测的局限性，年又借此研究了全球浮游动物昼夜迁徙规律。在数据验证方面，年Bisson等人将CALIOP反演b_bp与Bio-Argo的原位b_bp数据在全球进行对比分析，验证了CALIOP数据的可靠性。这一系列的研究进展展示了CALIOP星载激光雷达探测海洋的巨大潜力。
主要内容
文中详细介绍了CALIOP反演b_bp的方法原理以及后续改进，旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。
对b_bp的估计主要基于CALIOP数据中的nm波长的垂直通道信号，因为该通道信号几乎都来自于水体颗粒物的后向散射，而海表菲涅尔反射和水分子散射的影响可以忽略不计。为了避免对大气透过率进行校准从而带来误差，利用垂直和平行通道信号之比δT来进行计算。由于垂直通道的海面反射贡献可以忽略，可以将水体柱积分衰减后向散射的垂直偏振分量写为：
式中：
为水体柱积分衰减后向散射的平行偏振分量，β_s是水面后向散射，保留了激光脉冲的平行偏振特性，主要影响平行通道信号，
为水体柱积分退偏比，整理上式得到：
δ_w参数中包含所有水中散射体，不能从CALIOP数据中反演，假设δ_w=0.1，由于δ_T值相对较小(~0.01)，所以δ_w的不确定度对推导出的b_bp值的误差影响不大。因此，可以将公式重新写为：
δ_T值为海洋表面以下第一个bin的垂直通道与平行通道衰减后向散射比值，可由CALIOP的L1B数据计算得到，其中p是海面位置bin的编号。β_s的计算需要利用海洋表面风速数据，由于公认较准确的AMSR-E风速只有到年9月的数据，所以使用L1B数据中自带的风速数据替代。利用风速数据计算海面均方波斜率s^2，继而计算β_s：
式中：θ为CALIOP激光雷达系统的入射角，其值为0.3°，年11月28日之后调整为3°。ρ表示菲涅尔反射率，在nm通道值约为0.。
由于nm的垂直通道信号几乎都来自于水中颗粒物的后向散射，水分子散射可以忽略不计，可直接看作颗粒物柱积分垂直衰减后向散射，同样定义可得水中颗粒物退偏比，借此关系可由计算得到颗粒物柱积分衰减后向散射：
由于CALIOP激光雷达测量限制，需要利用MODIS提供的K_d信息对δ_p进行评估。基于有限的机载激光雷达测量数据，具体来说，对于K_d0.15m^-1的水域，；对于K_d0.15m^-1的水域，p=0.3。与颗粒物°体积散射系数有关：
式中：t表示海洋表面透过率，在nm处约为0.98。整理上式时可得：
最后一步是将从CALIOP测量值转换为可与被动海洋水色和现场数据相比较的参数，即nm处的后向散射系数b_bp()。根据Sullivan和Twardowski的现场测量结果，采用与b_bp的平均比值0.16进行转换，得到
为了保证数据质量，需要进行数据筛选。由于CALIOP对云层的穿透能力有限，当气溶胶光学厚度大于3时，数据将被剔除。同时剔除风速9m/s^-1的数据，以避免海面产生泡沫，浪涛造成信号污染，以及极低的风速(2m/s^-1)，以避免这种情况下海洋平静表面的强镜面反射对后向散射信号产生较大影响。最后，对于冰层覆盖的区域，CALIOP发出的脉冲将会被冰面几乎完全反射，造成δ_T的异常大值(~0.7)，因此，采用δ_T0.05的保守阈值来消除海冰覆盖数据。
CALIOPnm的接收系统使用的光电倍增管在探测到一个强后向散射后，如被地面反射，信号会表现出非理想的恢复，影响几个相邻的范围bin，从而导致激光雷达信号的垂直分布以及退偏比的探测误差。所以必须先消除CALIOP的瞬态响应对衰减后向散射廓线的影响，才能从数据产品中得到可靠的衰减后向散射剖面。
综合以上反演方法，CALIOP反演b_bp具体流程可总结为下图：
图7CALIOP反演bbp方法流程图
利用MODIS的K_d数据和进行退卷积处理过后的CALIOPL1B数据，反演了全年的b_bp结果，如图8所示，经纬度网格分辨率为1°×1°，为了数据的可读性，以对数坐标表示。图中b_bp呈现出深海处较低，沿岸以及高纬度处数值较高的趋势，同时在太平洋中西部偏高。图9为b_bp的概率密度分布图，可以看到b_bp主要集中于0以及0.m^-1附近，由图8所示，可以推测0附近的b_bp值对应于大洋深处的清澈水域，如图8蓝色区域，0.m^-1则对应赤道附近以及高纬度处的显示为青绿色的较大值。
图8年3月全球b_bp(nm)反演结果
图9b_bp概率密度分布
结论
目前大多数研究者使用的CALIOPb_bp反演算法都是基于年Behrenfeld提出的方法，但此反演方法的基础假设较多，为反演结果带来很大不确定性，并且对其反演数据的验证还比较欠缺。尽管CALIOP比起原位和水色更有优势，但其在水中的垂直分辨率(22.5m)并不够精细，只能获得海洋次表层信息，无法更加深入探测水体的垂直分层结构。并且CALIOP在轨运行时间已超过寿命四年，数据质量不如从前，需要后继卫星数据接替，如NASA在年发射的ATLAS激光雷达(AdvancedTopographicLaserAltimeterSystem)，搭载于IceSat-2(Ice,CloudandlandElevationSatellite-2)卫星，其拥有更高的垂直分辨率，目前也已在冰边浮游植物研究领域做出贡献。未来，需要在CALIOP反演b_bp的算法基础上，发展新型算法，提升CALIOP的反演精度，同时研发针对其他星载激光雷达的算法，如ATLAS，进一步为我国未来发射搭载海洋激光雷达卫星的数据处理提供参考。
团队介绍
作者简介：陶雨婷，女，本科生，主要研究方向为海洋遥感。
通讯作者：周雨迪，男，助理研究员，主要从事海洋遥感激光雷达领域的研究。
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