CN105486664A - 探测海洋浮游植物生物量和poc的激光雷达装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的装置及方法。本发明基于高光谱分辨率激光雷达，结合海洋浮游植物生物量和POC反演算法，利用激光雷达方程中散射角为π时的粒子体积散射方程和有效衰减系数同步反演浮游植物生物量和POC。本发明采用工作在倍频波段的高光谱分辨率激光雷达***，配合海洋浮游植物生物量和POC反演算法，无需采样就可以对海洋中的海洋浮游植物生物量和POC进行大范围高深度分辨率的高精度测量。

Description

探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置及方法

技术领域

本发明属于海洋主动遥感探测领域，特别是涉及一种探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置及方法。

背景技术

海洋占据了地球71％的面积，其碳存量远超过陆地生态***，因此海洋在全球碳循环中起着重要的作用。随着经济的发展，人为碳排放量不断上升，大气中CO₂含量的增加引起了全球气候变暖，不仅危害自然生态***的平衡，还威胁人类的生存。海洋在CO₂的自然循环中起到主导作用，研究海洋碳循环对于理解、预测、应对、甚至有效地控制气候变化有巨大的帮助，能够帮助发达和发展中国家制定合适的政策减缓或抑制大气CO₂含量的增加。同时，海洋中丰富的生物资源为区域经济发展作出了巨大贡献，不同海域的生物资源量取决于海洋生态***的生产力。海洋污染、洋流、温度等因素都会影响海洋生态***的生产力，使浮游植物、浮游动物、鱼类等资源量发生变化。海洋碳循环是海洋中能量传递的主要媒介，准确测量海洋碳循环的过程和强度对于评估海洋初级生产力、海洋鱼类资源等海洋生态***生产力参数有重要的参考价值。总之，海洋碳循环在全球碳循环和海洋生态***的研究中均发挥重要作用。

生物泵是海洋碳循环的主导过程之一，它通过浮游植物的光合作用将溶解在海水中的CO₂固定为生物体中的有机碳，通过浮游生物的新陈代谢排放颗粒有机碳(ParticulateOrganicCarbon，POC)和溶解有机碳(DissolvedOrganicCarbon，DOC)。精确分析生物泵的过程和强度在海洋碳循环的研究中具有重要的参考价值。

常规的海洋调查手段利用原位的直接采样结果进行生物泵过程和强度的分析，其劣势在于低效率、低时空分辨率。海洋被动遥感技术具有的大范围实时同步多波段成像的技术优势，可以快速地探测海洋表面各参量的时空变化规律。但是，被动遥感的缺点是仅提供面探测，无法进行垂直探测，并且被动遥感还受太阳辐射的影响，无法在夜间和较低的太阳高度角下正常工作，在白天也会受到大气散射的较大影响。激光雷达作为主动遥感器件，不受太阳辐射的影响，能够提供高分辨率的海洋深度信息，为海洋生物泵组分的反演提供了新的思路。值得注意的是，高光谱分辨率激光雷达利用鉴频器分离了水分子产生的布里渊散射和水中颗粒物产生的米散射光谱，大大提高了海洋生物泵组分的反演精度。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出了一种探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置及方法。本发明基于高光谱分辨率激光雷达，结合海洋浮游植物生物量和POC反演算法，对浮游植物生物量和POC进行实时的具有深度分辨率的高精度监测。

探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置，包括偏振高光谱分辨率激光雷达***。且所述的偏振高光谱分辨率激光雷达***工作在倍频，包括发射***、接收***、锁频***、数据采集及处理***；发射***包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模脉冲激光器、扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜；接收***包括望远镜、窄带滤波片、反射镜、偏振分光棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干涉鉴频器和三个光电探测器；锁频***包括基频单纵模连续激光器、单模光纤、干涉鉴频器、两个倍频/基频二向色分光镜和光电探测器；基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性；脉冲光经扩束镜后由分光镜分为两路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜下方经反射镜后射入海洋；望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光镜导入分光***；回波信号由偏振分光镜分为正交的两束偏振光，与出射激光偏振方向垂直的一路信号由分光***中的一个光电探测器接收，称为垂直混合通道；与出射激光偏振方向平行的一路信号由分光器分为两束光，一束光由分光***的另一个光电探测器接收，称为平行混合通道；另一束光透过其中一个倍频/基频二向色分光镜后，经干涉鉴频器滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，再透过另一个倍频/基频二向色分光镜由分光***的再一个光电探测器接收，称为平行分子通道；利用单模光纤将基频种子激光器发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜，经倍频/基频二向色分光镜反射入干涉鉴频器，由另一个倍频/基频二向色分光镜反射被光电探测器接收，并反馈给干涉鉴频器使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器；分光***的三个光电探测器得到的光信号由数据采集及处理***进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和POC的反演分析。

当***为非偏振的高光谱分辨率激光雷达时，包括发射***、接收***、锁频***、数据采集及处理***；发射***包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模脉冲激光器、扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜；接收***包括望远镜、窄带滤波片、反射镜、偏振分光棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干涉鉴频器和三个光电探测器；锁频***包括基频单纵模连续激光器、单模光纤、干涉鉴频器、两个倍频/基频二向色分光镜和光电探测器；基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性；脉冲光经扩束镜后由分光镜分为两路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜下方经反射镜后射入海洋；望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光镜导入分光***；回波信号由分光器分为两束光，一束光由分光***的一个光电探测器接收，称为混合通道；另一束光透过倍频/基频二向色分光镜后，经干涉鉴频器滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，再透过倍频/基频二向色分光镜由分光***的另一个光电探测器接收，称为分子通道；利用单模光纤将基频种子激光器发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜，经倍频/基频二向色分光镜反射入干涉鉴频器，由倍频/基频二向色分光镜反射被光电探测器接收，并反馈给干涉鉴频器使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器；分光***的两个光电探测器得到的光信号由数据采集及处理***进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和POC的反演分析。

所述的两个倍频/基频二向色分光镜和干涉鉴频器为接收***和锁频***共用；当***的激光波长不存在基频和倍频的关系时，***没有基频单纵模连续激光器，倍频/基频二向色分光镜改为偏振分光棱镜，倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光的偏振方向经1/4波片旋转90°后引入锁频***。

所述的基频单纵模连续激光器和倍频单纵模脉冲激光器的激光频谱宽度不大于150MHz，在p或s方向偏振；所述的基频单纵模连续激光器和倍频单纵模脉冲激光器的波长根据海水浑浊度和反演算法的需要而改变，如采用1064nm单纵模连续和532nm单纵模脉冲激光器，或者1331nm单纵模连续和665.5nm单纵模脉冲Nd:GdCOB激光器。

所述的分光镜的透反比(1-R1):R1很小，如0.5:99.5。

所述的反射镜6和望远镜为决定船载激光雷达重叠因子的主要部件，满足船载激光雷达重叠因子盲区不大于3米的条件；所述的望远镜为短焦望远镜，其接收角不小于10mrad，且具有一定范围的调节能力，如10～40mrad；当所述的反射镜6与望远镜为共轴时，反射镜6的直径小于望远镜的1/2；当所述的反射镜6与望远镜为离轴时，反射镜6与望远镜的间距尽量小，且倾斜反射镜6，使出射激光与望远镜的光轴夹角在平行方向上的分量接近望远镜接收角的1/2，且激光偏向望远镜一侧。

当激光雷达为机载时，重叠因子的决定部件包括反射镜6和望远镜；所述的望远镜为长焦大口径望远镜，其接收角较小，且具有一定范围的调节能力，如0.1～1mrad；所述的反射镜6与望远镜处于离轴或共轴位置，使激光雷达的重叠因子在海洋中为1。

所述的分光镜的透反比(1-R2):R2不是50:50，其透射率远大于反射率，如95:5。

所述的干涉鉴频器是具有高光谱分辨率的干涉仪；当激光雷达为船载时，干涉鉴频器对入射光角度不敏感，如共焦Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪；当激光雷达为机载时，干涉鉴频器选择Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪；所述的干涉鉴频器的中心滤波波长与倍频单纵模脉冲激光器的出射脉冲光波长一致，干涉鉴频器能够滤除相对于出射脉冲光频谱不变的海洋颗粒米散射信号，透过发生布里渊频移的海洋布里渊分子散射信号。

探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置的反演方法，包括以下步骤：

步骤1、根据上述的偏振高光谱分辨率激光雷达***的散射信号，反演海洋表观光学参数：散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d；由偏振高光谱分辨率激光雷达***望远镜收集的信号强度可以写为

$P=P_0\·\exp \[-2{\∫}_0^H{\mathrm{\αdz}}^{\′}\]\·T_O\·T_S^2\·G.\frac{{\mathrm{v\τ}}_0}{2n}\·\frac{A_r}{{(nH+z)}^2}\·({\mathrm{\β}}_m+{\mathrm{\β}}_p)\·\exp (-2{\∫}_0^z{K}_d{\mathrm{dz}}^{\′}),---\left(1\right)$

其中，P₀为脉冲能量，α为空气的消光系数，T_O和T_S分别为激光雷达***和海水表面的透射率，G为重叠因子，n为海水折射率，v为真空中的光速，τ₀为脉冲宽度，A_r为望远镜有效面积，H为望远镜距离海面的距离，z为光在水中传播的距离，β_m为散射角为π时的分子体积散射方程；公式(1)可以被简化为

B＝(β_m+β_p)·exp(-2τ)，(2)

其中，B＝[[P·(nH+z)²]]/(C·G)，常数光学厚度

被望远镜接收的信号进入偏振高光谱分辨率激光雷达***的垂直混合通道、平行混合通道和平行分子通道，公式(2)分别改写为

$B_c^{\⊥}=({\mathrm{\β}}_m^{\⊥}+{\mathrm{\β}}_p^{\⊥})\·\exp (-2\mathrm{\τ}),---\left(3\right)$

其中，上标⊥和□分别表示垂直和平行方向，T_m和T_p分别为滤波器对分子和颗粒散射光的透过率；根据公式(3)、(4)和(5)推导得到平行方向的颗粒体积散射方程

其中，是分子后向散射消偏系数，垂直方向的颗粒体积散射方程为

${\mathrm{\β}}_p^{\⊥}=\frac{{\mathrm{\β}}_m}{1+{\mathrm{\δ}}_m}\[\frac{(T_m-T_p)K\mathrm{\δ}}{1-T_{p}K}-{\mathrm{\δ}}_m\],---\left(7\right)$

其中，为总后向散射消偏系数；颗粒的体积散射方程表示为公式(6)与(7)之和

有效衰减系数写为

步骤2、根据散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d，反演海水的固有光学参数：颗粒后向散射系数b_bp和颗粒光束衰减系数c_p；

颗粒后向散射系数b_bp与散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p的关系表示为

b_bp＝2πχ_p(π)β_p，(10)

其中，转换因子χ_p(π)由光束衰减系数估算

χ_p(π)＝χ₁c+χ₂，(11)

其中，χ₁和χ₂为常系数，颗粒光束衰减系数c_p由光束衰减系数c去除水的光束衰减系数c_w得到

c_p＝c-c_w，(12)

其中，c能够由多次散射系数η表示

c＝K_d/η，(13)

由于多次散射会导致退偏，多次散射系数表示为

$\mathrm{\η}={\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^2-\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{\δ}}\right)}^2,---\left(14\right)$

其中，ω＝(β_m+β_p)/K_d为总的散射消光比；

步骤3、根据固有光学参数b_bp和c_p反演生物泵组分：浮游植物生物量和POC；

浮游植物生物量C_phyto分别由b_bp和c_p表示如下：

C_phyto＝k₁(b_bp-k₂)，(15)

C_plyto＝γ₁(c_p+γ₂).(16)

颗粒有机碳POC分别由b_bp和c_p表示如下

$POC=l_1{\left(b_{bp}\right)}^{l_2},---\left(17\right)$

其中，k₁、k₂、γ₁、γ₂、l₁、l₂、和为常系数。

当步骤1所述的探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置为非偏振的高光谱分辨率激光雷达时，具体步骤如下：

步骤4、根据上述的非偏振高光谱分辨率激光雷达***的散射信号，反演海洋表观光学参数：散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d；由非偏振高光谱分辨率激光雷达望远镜收集的信号强度可以写为

$P=P_0\·\exp \[-2{\∫}_0^H{\mathrm{\αdz}}^{\′}\]\·T_O\·T_S^2\·G.\frac{{\mathrm{v\τ}}_0}{2n}\·\frac{A_r}{{(nH+z)}^2}\·({\mathrm{\β}}_m+{\mathrm{\β}}_p)\·\exp (-2{\∫}_0^z{K}_d{\mathrm{dz}}^{\′}),---\left(19\right)$

其中，P₀为脉冲能量，α为空气的消光系数，T_O和T_S分别为激光雷达***和海水表面的透射率，G为重叠因子，n为海水折射率，v为真空中的光速，τ₀为脉冲宽度，A_r为望远镜有效面积，H为望远镜距离海面的距离，z为光在水中传播的距离，β_m为散射角为π时的分子体积散射方程；公式(19)可以被简化为，

B＝(β_m+β_p)·exp(-2τ)，(20)

其中，B＝[[P·(nH+z)²]]/(C·G)，常数光学厚度

被望远镜接收的信号进入非偏振高光谱分辨率激光雷达***的混合通道和分子通道，公式(20)分别改写为

B_c＝(β_m+β_p)·exp(-2τ)，(21)

B_m＝(T_mβ_m+T_Pβ_p)·exp(-2τ)，(22)

颗粒的体积散射方程表示为

${\mathrm{\β}}_p={\mathrm{\β}}_m\left(\frac{B_m-B_c{T}_m}{B_c{T}_p-B_m}\right),---\left(23\right)$

有效衰减系数写为

$K_d=\frac{\∂}{\∂z}\{-\frac{1}{2}ln\[\frac{B_c{T}_p-B_m}{(T_p-T_m){\mathrm{\β}}_m}\]\}.---\left(24\right)$

步骤5、根据散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d，反演海水的固有光学参数：颗粒后向散射系数b_bp和颗粒光束衰减系数c_p；

颗粒后向散射系数b_bp与散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p的关系表示为

b_bp＝2πχ_p(π)β_p，(25)

其中，转换因子χ_p(π)由光束衰减系数估算

χ_p(π)＝χ₁c+χ₂，(26)

其中，χ₁和χ₂为常系数，颗粒光束衰减系数c_p由光束衰减系数c去除水的光束衰减系数c_w得到

c_p＝c-c_w，(27)

其中，c的信息包含于有效衰减系数中

K_d＝K′+(c-K′)exp(-0.85cD)，(28)

其中，K′为漫衰减系数，D为望远镜投影在海水上的视场大小。通过改变望远镜接收角，c的大小能够由参数K_d-D的曲线拟合求出；在外海，光束衰减系数能够近似为c≈K_d/(1-ω)，其中，ω＝(β_m+β_p)/K_d为总的散射消光比；

步骤6、根据固有光学参数b_bp和c_p反演生物泵组分：浮游植物生物量和POC；

浮游植物生物量C_phyto分别由b_bp和c_p表示如下：

C_phyto＝k₁(b_bp-k₂)，(29)

C_plyto＝γ₁(c_p+γ₂).(30)

颗粒有机碳POC分别由b_bp和c_p表示如下

$POC=l_1{\left(b_{bp}\right)}^{l_2},---\left(31\right)$

其中，k₁、k₂、γ₁、γ₂、l₁、l₂、和为常系数。

所述的海洋浮游植物生物量和POC反演算法通过所述的步骤1、步骤2、步骤3或者步骤4、步骤5、步骤6，利用激光雷达方程中的颗粒体积散射方程和有效衰减系数同步反演浮游植物生物量和POC。

所述的海洋浮游植物生物量和POC反演算法中的常系数是利用本发明所示的激光雷达***对相关水域进行实际测量后得到的。

本发明的有益效果如下：

本发明采用工作在倍频波段的高光谱分辨率激光雷达***，配合海洋浮游植物生物量和POC反演算法，无需采样就可以对海洋中的海洋浮游植物生物量和POC进行大范围高深度分辨率的高精度测量。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中干涉鉴频器工作原理示意图；

图3为本发明海洋浮游植物生物量和POC的反演算法；

图中，基频单纵模连续激光器1、倍频单纵模脉冲激光器2、扩束器3、光电探测器4、分光镜5、反射镜6、望远镜7、窄带滤波片8、反射镜9、单模光纤10、偏振分光棱镜11、分光镜12、倍频/基频二向色分光镜13、干涉鉴频器14、倍频/基频二向色分光镜15、光电探测器16、光电探测器17、光电探测器18、光电探测器19、数据采集及处理***20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置，可以对浮游植物生物量和POC进行实时的具有深度分辨率的高精度监测。包括偏振高光谱分辨率激光雷达***，且所述的偏振高光谱分辨率激光雷达***工作在倍频，包括发射***、接收***、锁频***、数据采集及处理***20。发射***包括基频单纵模连续激光器1、倍频单纵模脉冲激光器2、扩束器3、光电探测器4、分光镜5、反射镜6；接收***包括望远镜7、窄带滤波片8、反射镜9、偏振分光棱镜11、分光镜12、倍频/基频二向色分光镜13和15、干涉鉴频器14、光电探测器16、17、18；锁频***包括基频单纵模连续激光器1、单模光纤10、干涉鉴频器14、倍频/基频二向色分光镜13、15和光电探测器19。基频单纵模连续激光器1发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器2中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器2发射的脉冲光具有单模特性。脉冲光经扩束镜3后由分光镜5分为两路，较弱透射光由光电探测器4监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜7下方经反射镜6后射入海洋，称为出射光。望远镜7收集海洋的回波信号后由窄带滤光片8滤除背景光，经反光镜9导入分光***。如图2所示，回波信号的产生是因为出射光进入海洋后，海水分子产生中心频率偏移的布里渊散射信号，海水中颗粒物产生频谱近似不变的米散射信号，与出射光相比较，它们的偏振态发生一定变化。回波信号由偏振分光镜11分为正交的两束偏振光，与出射激光偏振方向垂直的一路信号由光电探测器16接收，称为垂直混合通道；与出射激光偏振方向平行的一路信号由分光器12分为两束光，较弱光由光电探测器17接收，称为平行混合通道；较强光透过倍频/基频二向色分光镜13后，经干涉鉴频器14滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，并透过倍频/基频二向色分光镜15由光电探测器18接收，称为平行分子通道。利用单模光纤10将基频种子激光器1发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜13，经倍频/基频二向色分光镜13反射入干涉鉴频器14，由倍频/基频二向色分光镜15反射被光电探测器19接收，并反馈给干涉鉴频器14使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器2。光电探测器16、17和18得到的光信号由数据采集及处理***20进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和POC的反演分析。

所述的两个倍频/基频二向色分光镜、干涉鉴频器为接收***和锁频***共用；当***的激光波长不存在基频和倍频的关系时，***没有基频单纵模连续激光器，倍频/基频二向色分光镜改为偏振分光棱镜，倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光的偏振方向经1/4波片旋转90°后引入锁频***。

所述的偏振分光棱镜11和光电探测器16不是必须的，当***设计为非偏振的高光谱分辨率激光雷达时，***没有偏振分光棱镜11和光电探测器16，光电探测器17和光电探测器18接收的信号分别称为混合通道和分子通道，具体的：

回波信号由分光器12分为两束光，较弱光由光电探测器17接收，称为混合通道；较强光透过倍频/基频二向色分光镜13后，经干涉鉴频器14滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，并透过倍频/基频二向色分光镜15由光电探测器18接收，称为分子通道。

上述的基频单纵模连续激光器1采用频宽不大于150MHz的单纵模连续激光器，例如美国NPPhotonics公司的抗震动单频窄线宽光纤激光器***，波长为1064.48nm，功率125mW，频宽5KHz；

上述的倍频单纵模脉冲激光器2采用频宽不大于150MHz的单纵模脉冲激光器，例如美国Continuum公司的Nd:YAG脉冲激光器，采用种子注入技术，波长532.24nm，单脉冲能量300mJ，重复频率10Hz，频宽150MHz，p偏振输出；

上述的扩束器3采用抗强激光扩束器，例如北京大恒公司的GCO-141602型号扩束镜，6倍扩束；

上述的光电探测器4和光电探测器19为高速响应的光电探测器，不需要具有特别高的灵敏度，如Thorlabs公司的FDS025型号PN光电二极管；

上述的分光镜5的反射率远大于透射率，能够向具有较高镀膜能力的公司定制，如Thorlabs公司，透反比为0.5:99.5。

上述的反射镜6和望远镜7为决定船载激光雷达重叠因子的主要部件，满足船载激光雷达重叠因子盲区不大于3米的条件；所述的望远镜7为短焦望远镜，其接收角不小于10mrad，且具有一定范围的调节能力，例如广州博冠公司生产的蜂鸟20-60X85A望远镜，接收角10-40mrad可调，直径为85mm；当所述的反射镜6与望远镜7为共轴时，反射镜6的直径小于望远镜7的1/2；当所述的反射镜6与望远镜7为离轴时，反射镜6与望远镜7的间距尽量小，且倾斜反射镜6，使出射激光与望远镜7的光轴夹角在平行方向上的分量小于望远镜7接收角的1/2，且激光偏向望远镜7一侧。

当激光雷达为机载时，重叠因子的决定部件包括反射镜6和望远镜7；所述的望远镜7为长焦大口径望远镜，其接收角较小，且具有一定范围的调节能力，例如星特朗C11HD望远镜，接收角0.1～1mrad可调，直径为280mm；所述的反射镜6与望远镜处于离轴或共轴位置，使激光雷达的重叠因子在海洋中为1。

上述的反射镜6采用抗强激光反射镜，例如北京大恒公司的GCCH-101062，直径25mm；

上述的窄带滤波片8为带宽较窄的带通光学滤波器，在倍频±3nm透射，可选用干涉滤光片，找光学镀膜能力较强的公司，如北京大恒公司定制；

上述的反射镜9为普通的介质反射镜即可，如北京大恒公司的GCC101042型号反射镜；

上述的单模光纤10为普通的单模光纤，例如THORLABS公司的SM980G80型号单模光纤；

上述的偏振分光棱镜11为普通偏振分光棱镜，例如NEWPORT公司的10BC16PC.3型号分光棱镜；

上述的透反比为的分光镜12为反射率低于透射率的普通介质分光镜，例如NEWPORT公司的UVBS13-2型号分光镜，透反比为95:5；

上述的倍频/基频二向色分光镜13和倍频/基频二向色分光镜15采用一般的倍频/基频二向色分光镜即可，如NEWPORT公司的10QM20HB.12型号二向色分光镜；

上述的干涉鉴频器14是具有高光谱分辨率的干涉仪；当激光雷达为船载时，干涉鉴频器对入射光角度不敏感，如共焦Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪；当激光雷达为机载时，干涉鉴频器选择Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪；所述的干涉鉴频器的中心滤波波长与倍频单纵模脉冲激光器的出射脉冲光波长一致，干涉鉴频器能够滤除相对于出射脉冲光频谱不变的海洋颗粒米散射信号，透过发生布里渊频移的海洋布里渊分子散射信号。上述的光电探测器16、光电探测器17、光电探测器18选择相同型号的光电探测器，它们必须有高响应速度和高灵敏度，例如日本滨松公司的R6358型号光电倍增管；

上述的数据采集及处理***20采用德国Licel公司的TR20-80数据采集***并配普通个人电脑、台式机或笔记本电脑即可；

如图3所示，海洋浮游植物生物量和POC反演算法包括以下步骤：

第一步：根据上述的偏振高光谱分辨率激光雷达***的散射信号，反演海洋表观光学参数：散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d。由海洋激光雷达望远镜收集的信号强度可以写为

$P=P_0\·\exp \[-2{\∫}_0^H{\mathrm{\αdz}}^{\′}\]\·T_O\·T_S^2\·G.\frac{{\mathrm{v\τ}}_0}{2n}\·\frac{A_r}{{(nH+z)}^2}\·({\mathrm{\β}}_m+{\mathrm{\β}}_p)\·\exp (-2{\∫}_0^z{K}_d{\mathrm{dz}}^{\′}),---\left(33\right)$

其中，P₀为脉冲能量，α为空气的消光系数，T_O和T_S分别为激光雷达***和海水表面的透射率，G为重叠因子，n为海水折射率，v为真空中的光速，τ₀为脉冲宽度，A_r为望远镜有效面积，H为望远镜距离海面的距离，z为光在水中传播的距离，β_m为散射角为π时的分子体积散射方程。公式(33)可以被简化为，

B(z)＝(β_m+β_p)·exp(-2τ)，(34)

其中，B＝[[P·(nH+z)²]]/(C·G)，常数光学厚度

当探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置为偏振的高光谱分辨率激光雷达时，被望远镜接收的信号进入偏振高光谱分辨率激光雷达***的垂直混合通道、平行混合通道和平行分子通道，公式(34)分别改写为

$B_c^{\⊥}=({\mathrm{\β}}_m^{\⊥}+{\mathrm{\β}}_p^{\⊥})\·\exp (-2\mathrm{\τ}),---\left(35\right)$

其中，上标⊥和□分别表示垂直和平行方向，T_m和T_p分别为滤波器对分子和颗粒散射光的透过率。根据公式(35)、(36)和(37)推导得到平行方向的颗粒体积散射方程

其中，是分子后向散射消偏系数，垂直方向的颗粒体积散射方程为

${\mathrm{\β}}_p^{\⊥}=\frac{{\mathrm{\β}}_m}{1+{\mathrm{\δ}}_m}\[\frac{(T_m-T_p)K\mathrm{\δ}}{1-T_{p}K}-{\mathrm{\δ}}_m\],---\left(39\right)$

其中，为总后向散射消偏系数。颗粒体积散射方程表示为公式(38)与(39)之和

有效衰减系数写为

步骤2、根据散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d，反演海水的固有光学参数：颗粒后向散射系数b_bp和颗粒光束衰减系数c_p。

颗粒后向散射系数b_bp与散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p的关系表示为

b_bp＝2πχ_p(π)β_p，(42)

其中，转换因子χ_p(π)由光束衰减系数估算

χ_p(π)＝χ₁c+χ₂，(43)

其中，χ₁和χ₂为常系数，颗粒光束衰减系数c_p由光束衰减系数c去除水的光束衰减系数c_w得到

c_p＝c-c_w，(44)

其中，c能够利用多次散射系数η表示

c＝K_d/η，(45)

由于多次散射会导致退偏，多次散射系数表示为

$\mathrm{\η}={\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^2-\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{\δ}}\right)}^2,---\left(46\right)$

其中，ω＝(β_m+β_p)/K_d为总的散射消光比。

步骤3、根据固有光学参数b_bp和c_p反演生物泵组分：浮游植物生物量和POC。

浮游植物生物量C_phyto分别由b_bp和c_p表示如下：

C_phyto＝k₁(b_bp-k₂)，(47)

C_plyto＝γ₁(c_p+γ₂).(48)

颗粒有机碳POC分别由b_bp和c_p表示如下

$POC=l_1{\left(b_{bp}\right)}^{l_2},---\left(49\right)$

其中，k₁、k₂、γ₁、γ₂、l₁、l₂、和为常系数。

当步骤1所述的探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置为非偏振的高光谱分辨率激光雷达时，具体步骤如下：

步骤4、根据上述的海洋激光雷达散射信号，反演海洋表观光学参数：散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d；由海洋激光雷达望远镜收集的信号强度可以写为

$P=P_0\·\exp \[-2{\∫}_0^H{\mathrm{\αdz}}^{\′}\]\·T_O\·T_S^2\·G.\frac{{\mathrm{v\τ}}_0}{2n}\·\frac{A_r}{{(nH+z)}^2}\·({\mathrm{\β}}_m+{\mathrm{\β}}_p)\·\exp (-2{\∫}_0^z{K}_d{\mathrm{dz}}^{\′}),---\left(51\right)$

其中，P₀为脉冲能量，α为空气的消光系数，T_O和T_S分别为激光雷达***和海水表面的透射率，G为重叠因子，n为海水折射率，v为真空中的光速，τ₀为脉冲宽度，A_r为望远镜有效面积，H为望远镜距离海面的距离，z为光在水中传播的距离，β_m为散射角为π时的分子体积散射方程，K_d为海水的有效衰减系数；公式(51)可以被简化为，

B＝(β_m+β_p)·exp(-2τ)，(52)

其中，B＝[[P·(nH+z)²]]/[C·G]，常数光学厚度

被望远镜接收的信号进入非偏振高光谱分辨率激光雷达***的混合通道和分子通道，公式(52)分别改写为

B_c＝(β_m+β_p)·exp(-2τ)，(53)

B_m＝(T_mβ_m+T_Pβ_p)·exp(-2τ)，(54)

颗粒的体积散射方程表示为

${\mathrm{\β}}_p={\mathrm{\β}}_m\left(\frac{B_m-B_c{T}_m}{B_c{T}_p-B_m}\right),---\left(55\right)$

有效衰减系数写为

$K_d=\frac{\∂}{\∂z}\{-\frac{1}{2}ln\[\frac{B_c{T}_p-B_m}{(T_p-T_m){\mathrm{\β}}_m}\]\}.---\left(56\right)$

步骤5、根据散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d，反演海水的固有光学参数：颗粒后向散射系数b_bp和颗粒光束衰减系数c_p；

颗粒后向散射系数b_bp与散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p的关系表示为

b_bp＝2πχ_p(π)β_p，(57)

其中，转换因子χ_p(π)由光束衰减系数估算

χ_p(π)＝χ₁c+χ₂，(58)

其中，χ₁和χ₂为常系数，颗粒光束衰减系数c_p由光束衰减系数c去除水的光束衰减系数c_w得到

c_p＝c-c_w，(59)

其中，c的信息包含于有效衰减系数中

K_d＝K′+(c-K′)exp(-0.85cD)，(60)

其中，K′为漫衰减系数，D为望远镜投影在海水上的视场大小。通过改变望远镜接收角，c的大小能够由参数K_d-D的曲线拟合求出；在外海，光束衰减系数能够近似为c≈K_d/(1-ω)，其中，ω＝(β_m+β_p)/K_d为总的散射消光比；

步骤6、根据固有光学参数b_bp和c_p反演生物泵组分：浮游植物生物量和POC；

浮游植物生物量C_phyto分别由b_bp和c_p表示如下：

C_phyto＝k₁(b_bp-k₂)，(61)

C_plyto＝γ₁(c_p+γ₂).(62)

颗粒有机碳POC分别由b_bp和c_p表示如下

$POC=l_1{\left(b_{bp}\right)}^{l_2},---\left(63\right)$

其中，k₁、k₂、γ₁、γ₂、l₁、l₂、和为常系数。

所述的海洋浮游植物生物量和POC反演算法通过所述的步骤1、步骤2、步骤3或者步骤4、步骤5、步骤6，利用激光雷达方程中的颗粒体积散射方程和有效衰减系数同步反演浮游植物生物量和POC。

所述的常系数χ₁和χ₂分别为0.31453和0.36093，在一些特殊的海域，转换因子可以近似表示为0.6(深海区域)，0.4(近海区域)，0.8-1.1(港口浑浊区)。

所述的常系数k₁、k₂、γ₁、γ₂、l₁、l₂、和的典型值示于表一，展示了不同海域的实验拟合参数，括号内为实验数据采用的激光波长。

所述的反演算法基于不同波长的实验数据，以532nm的工作波长为例，需要用c_p(660)＝0.75c_p(532)和b_bp(550)＝0.97b_bp(532)＝0.93b_bp(510)＝0.85b_bp(470)＝0.80b_bp(440)，将532nm的高光谱分辨率激光雷达回波信号变化为适用于公式(61)-(64)回波波长的信号。

所述的常系数分别基于全球或者不同海域的测量数据，为了使得这些系数能够普适地应用于不同的海域测量，建议大西洋、南极极峰海区、地中海、东太平洋等已有实验数据的海域，常系数采用当前海域的拟合参数，而对于没有实验数据的海域，常系数k₁、k₂、和采用全球的拟合参数，常系数γ₁、γ₂、γ₃采用南极极峰海区的拟合参数，该海区受浮游植物生物量影响较小，常系数l₁、l₂采用东太平洋的拟合参数，该海区叶绿素含量受浮游植物生理活动影响较小。合适的常系数选择将大大减小反演产生的误差。

Claims (5)

1.探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置，其特征在于包括偏振高光谱分辨率激光雷达***，且所述的偏振高光谱分辨率激光雷达***工作在倍频，包括发射***、接收***、锁频***、数据采集及处理***；发射***包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模脉冲激光器、扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜；接收***包括望远镜、窄带滤波片、反射镜、偏振分光棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干涉鉴频器和三个光电探测器；锁频***包括基频单纵模连续激光器、单模光纤、干涉鉴频器、两个倍频/基频二向色分光镜和光电探测器；基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性；脉冲光经扩束镜后由分光镜分为两路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜下方经反射镜后射入海洋；望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光镜导入分光***；回波信号由偏振分光镜分为正交的两束偏振光，与出射激光偏振方向垂直的一路信号由分光***中的一个光电探测器接收，称为垂直混合通道；与出射激光偏振方向平行的一路信号由分光器分为两束光，一束光由分光***的另一个光电探测器接收，称为平行混合通道；另一束光透过其中一个倍频/基频二向色分光镜后，经干涉鉴频器滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，再透过另一个倍频/基频二向色分光镜由分光***的再一个光电探测器接收，称为平行分子通道；利用单模光纤将基频种子激光器发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜(13)，经倍频/基频二向色分光镜(13)反射入干涉鉴频器，由倍频/基频二向色分光镜(15)反射被光电探测器(19)接收，并反馈给干涉鉴频器使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器；分光***的三个光电探测器得到的光信号由数据采集及处理***进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和POC的反演分析。

2.根据权利要求1所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置，其特征在于当***为非偏振的高光谱分辨率激光雷达时，包括发射***、接收***、锁频***、数据采集及处理***；发射***包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模脉冲激光器、扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜；接收***包括望远镜、窄带滤波片、反射镜、偏振分光棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干涉鉴频器和三个光电探测器；锁频***包括基频单纵模连续激光器、单模光纤、干涉鉴频器、两个倍频/基频二向色分光镜和光电探测器；基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性；脉冲光经扩束镜后由分光镜分为两路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜下方经反射镜后射入海洋；望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光镜导入分光***；回波信号由分光器(12)分为两束光，一束光由分光***的一个光电探测器(17)接收，称为混合通道；另一束光透过倍频/基频二向色分光镜(13)后，经干涉鉴频器滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，并透过倍频/基频二向色分光镜(15)由分光***的另一个光电探测器(18)接收，称为分子通道；利用单模光纤将基频种子激光器发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜(13)，经倍频/基频二向色分光镜(13)反射入干涉鉴频器，由倍频/基频二向色分光镜(15)反射被光电探测器(19)接收，并反馈给干涉鉴频器使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器；分光***的两个光电探测器得到的光信号由数据采集及处理***进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和POC的反演分析。

3.根据权利要求1或2所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置，其特征在于

所述的两个倍频/基频二向色分光镜和干涉鉴频器为接收***和锁频***共用；当***的激光波长不存在基频和倍频的关系时，***没有基频单纵模连续激光器，倍频/基频二向色分光镜改为偏振分光棱镜，倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光的偏振方向经1/4波片旋转90°后引入锁频***。

所述的基频单纵模连续激光器采用频宽不大于150MHz的单纵模连续激光器；

所述的倍频单纵模脉冲激光器采用频宽不大于150MHz的单纵模脉冲激光器；

所述的发射***中的光电探测器(4)和锁频***中的光电探测器(19)均为高速响应的光电探测器；

所述的反射镜(6)和望远镜为决定船载激光雷达重叠因子的主要部件，满足船载激光雷达重叠因子盲区不大于3米的条件；所述的望远镜为短焦望远镜，其接收角不小于10mrad，且具有一定范围的调节能力；当所述的反射镜(6)与望远镜为共轴时，反射镜(6)的直径小于望远镜的1/2；当所述的反射镜(6)与望远镜为离轴时，反射镜(6)与望远镜的间距尽量小，且倾斜反射镜(6)，使出射激光与望远镜的光轴夹角在平行方向上的分量接近望远镜接收角的1/2，且激光偏向望远镜一侧。

当激光雷达为机载时，重叠因子的决定部件包括反射镜和望远镜；所述的望远镜为长焦大口径望远镜，其接收角较小，且具有一定范围的调节能力；所述的反射镜与望远镜处于离轴或共轴位置，使激光雷达的重叠因子在海洋中为1。

所述的窄带滤波片为带宽较窄的带通光学滤波器，在倍频±3nm透射；

所述的干涉鉴频器为具有高光谱分辨率的干涉仪，当激光雷达为船载时，干涉鉴频器对入射光角度不敏感，如共焦Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪；当激光雷达为机载时，干涉鉴频器选择Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪；

所述的分光***中的三个光电探测器均有高响应速度和高灵敏度。

4.根据权利要求1所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置的反演方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、根据上述的偏振高光谱分辨率激光雷达***的散射信号，反演海洋表观光学参数：散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d；由偏振高光谱分辨率激光雷达望远镜收集的信号强度可以写为

$P=P_0\·\exp \[-2{\∫}_0^H{\mathrm{\αdz}}^{\′}\]\·T_O\·T_S^2\·G.\frac{{\mathrm{v\τ}}_0}{2n}\·\frac{A_r}{{(nH+z)}^2}\·({\mathrm{\β}}_m+{\mathrm{\β}}_p)\·\exp (-2{\∫}_0^z{K}_d{\mathrm{dz}}^{\′}),---\left(1\right)$

其中，P₀为脉冲能量，α为空气的消光系数，T_O和T_S分别为激光雷达***和海水表面的透射率，G为重叠因子，n为海水折射率，v为真空中的光速，τ₀为脉冲宽度，A_r为望远镜有效面积，H为望远镜距离海面的距离，z为光在水中传播的距离，β_m为散射角为π时的分子体积散射方程；公式(1)可以被简化为，

B＝(β_m+β_p)·exp(-2τ)，(2)

其中，B＝[[P·(nH+z)²]]/(C·G)，常数 $C=P_0\·\exp (-2{\∫}_0^H\mathrm{\αd}{z}^{\′})\·T_o\·T_s^2\·\mathrm{v\τ}{A}_r/2n,$ 光学厚度 $\mathrm{\τ}={\∫}_0^z{K}_d{\mathrm{dz}}^{\′};$

进入偏振高光谱分辨率激光雷达***的垂直混合通道、平行混合通道和平行分子通道的信号分别为

$B_c^{\⊥}=({\mathrm{\β}}_m^{\⊥}+{\mathrm{\β}}_p^{\⊥})\·\exp (-2\mathrm{\τ}),---\left(3\right)$

其中，上标⊥和□分别表示垂直和平行方向，T_m和T_p分别为滤波器对分子和颗粒散射光的透过率；根据公式(3)、(4)和(5)推导得到平行方向的颗粒体积散射方程

其中，是分子后向散射消偏系数，垂直方向的颗粒体积散射方程为

${\mathrm{\β}}_p^{\⊥}=\frac{{\mathrm{\β}}_m}{1+{\mathrm{\δ}}_m}\[\frac{(T_m-T_a)K\mathrm{\δ}}{1-T_{a}K}-{\mathrm{\δ}}_m\],---\left(7\right)$

其中，为总后向散射消偏系数；颗粒的体积散射方程表示为公式(6)与(7)之和

有效衰减系数写为

步骤2、根据散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d，反演海水的固有光学参数：颗粒后向散射系数b_bp和颗粒光束衰减系数c_p；

颗粒后向散射系数b_bp与散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p的关系表示为

b_bp＝2πχ_p(π)β_p，(10)

其中，转换因子χ_p(π)由光束衰减系数估算

χ_p(π)＝χ₁c+χ₂，(11)

其中，χ₁和χ₂为常系数，颗粒光束衰减系数c_p由光束衰减系数c去除水的光束衰减系数c_w得到

c_p＝c-c_w，(12)

其中，c能够利用多次散射系数η表示

c＝K_d/η.(13)

由于多次散射会导致退偏，多次散射系数表示为

$\mathrm{\η}={\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^2-\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{\δ}}\right)}^2,---\left(14\right)$

其中，ω＝(β_m+β_p)/K_d为总的散射消光比，为后向散射消偏系数；

步骤3、根据固有光学参数b_bp和c_p反演生物泵组分：浮游植物生物量和POC；

浮游植物生物量C_phyto分别由b_bp和c_p表示如下：

C_phyto＝k₁(b_bp-k₂)，(15)

C_plyto＝γ₁(c_p+γ₂).(16)

颗粒有机碳POC分别由b_bp和c_p表示如下

$POC=l_1{\left(b_{bp}\right)}^{l_2},---\left(17\right)$

其中，k₁、k₂、γ₁、γ₂、l₁、l₂、和为常系数。

5.根据权利要求2所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置的反演方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤4、根据上述的非偏振高光谱分辨率激光雷达***散射信号，反演海洋表观光学参数：散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d；由海洋激光雷达望远镜收集的信号强度可以写为

$P=P_0\·\exp \[-2{\∫}_0^H{\mathrm{\αdz}}^{\′}\]\·T_O\·T_S^2\·G.\frac{{\mathrm{v\τ}}_0}{2n}\·\frac{A_r}{{(nH+z)}^2}\·({\mathrm{\β}}_m+{\mathrm{\β}}_p)\·\exp (-2{\∫}_0^z{K}_d{\mathrm{dz}}^{\′}),---\left(19\right)$

其中，P₀为脉冲能量，α为空气的消光系数，T_O和T_S分别为激光雷达***和海水表面的透射率，G为重叠因子，n为海水折射率，_v为真空中的光速，τ₀为脉冲宽度，A_r为望远镜有效面积，H为望远镜距离海面的距离，z为光在水中传播的距离，β_m为散射角为π时的分子体积散射方程，K_d为海水的有效衰减系数；公式(19)可以被简化为，

B＝(β_m+β_p)·exp(-2τ)，(20)

其中，B＝[[P·(nH+z)²]]/(C·G)，常数 $C=P_0\·\exp (-2{\∫}_0^H\mathrm{\αd}{z}^{\′})\·T_o\·T_s^2\·\mathrm{v\τ}{A}_r/2n,$ 光学厚度 $\mathrm{\τ}={\∫}_0^z{K}_d{\mathrm{dz}}^{\′};$

进入非偏振高光谱分辨率激光雷达***的混合通道和分子通道的信号分别表示为

B_c＝(β_m+β_p)·exp(-2τ)，(21)

B_m＝(T_mβ_m+T_Pβ_p)·exp(-2τ).(22)

颗粒的体积散射方程表示为

${\mathrm{\β}}_p={\mathrm{\β}}_m\left(\frac{B_m-B_c{T}_m}{B_c{T}_p-B_m}\right).---\left(23\right)$

有效衰减系数写为

$K_d=\frac{\∂}{\∂z}\{-\frac{1}{2}ln\[\frac{B_c{T}_p-B_m}{(T_p-T_m){\mathrm{\β}}_m}\]\}.---\left(24\right)$

步骤5、根据散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p和有效衰减系数K_d，反演海水的固有光学参数：颗粒后向散射系数b_bp和颗粒光束衰减系数c_p；

颗粒后向散射系数b_bp与散射角为π时的颗粒体积散射方程β_p的关系表示为

b_bp＝2πχ_p(π)β_p，(25)

其中，转换因子χ_p(π)由光束衰减系数估算

χ_p(π)＝χ₁c+χ₂，(26)

其中，χ₁和χ₂为常系数，颗粒光束衰减系数c_p由光束衰减系数c去除水的光束衰减系数c_w得到

c_p＝c-c_w，(27)

其中，c的信息包含于有效衰减系数中

K_d＝K′+(c-K′)exp(-0.85cD)，(28)

其中，K′为漫衰减系数，D为望远镜投影在海水上的视场大小。通过改变望远镜接收角，c的大小能够由参数K_d-D的曲线拟合求出。在外海，光束衰减系数能够近似为c≈K_d/(1-ω)，其中，ω＝(β_m+β_p)/K_d为总的散射消光比。

步骤6、根据固有光学参数b_bp和c_p反演生物泵组分：浮游植物生物量和POC；

浮游植物生物量C_phyto分别由b_bp和c_p表示如下：

C_phyto＝k₁(b_bp-k₂)，(29)

C_plyto＝γ₁(c_p+γ₂)，(30)

颗粒有机碳POC分别由b_bp和c_p表示如下

$POC=l_1{\left(b_{bp}\right)}^{l_2},---\left(31\right)$

其中，k₁、k₂、γ₁、γ₂、l₁、l₂、和为常系数。