海洋激光雷达已被广泛应用于海洋科学研究，如浅海水深、海洋叶绿素浓度、海表油污、海洋污染以及海浪特征等测量研究。在激光雷达LIDAR(LightDetectionAndRanging)的应用中，一般是发射单色激光，根据不同探测机制接收不同的返回光，从而获取海洋信息。海洋激光雷达的测量机制主要包括：海水的粒子(Mie)散射、喇曼(Raman)散射、布里渊(Brillouin)散射、荧光(Fluorescence)、海水吸收等。也正是由于不同的探测机制，才出现了各种类型的激光雷达。

    其中，用飞机运载的机载海洋激光雷达系统典型的工作方式见图10—27。该系统的基本组成如图10—28。

    海洋激光雷达系统，一般采用脉冲倍频Nd：YAG激光器(532nm)，因为它具有技术成熟、发射功率大、体积小等优点。系统的工作过程为：海表或水中返回的光被望远镜接收，通过光谱仪或滤光器滤除背景杂散光；信号光通过光电探测器接收转化成电信号，波形数字化仪把探测器输出的电信号变成数字量。计算机分析数字量，得到所需的测量参数。接收光学系统与发射光学系统同轴、同步扫描；另外要求激光脉冲的发射和数据采集同步进行，以确保接收足够精确的数据。

    在海洋激光雷达的各种应用中，浅海水深和叶绿素浓度测量一直是各国研究的热点。浅海水深测量又与水下目标探测密切相关，因此发达国家的军方对此研究十分感兴趣，并投入大量资金。据报道，美国军方已研制了这种系统，用于水下目标探测。叶绿素浓度测量与估计海洋初级生产力、全球通量和众多海洋现象研究相关，也是海洋学家十分关注的问题。

    对机载海洋激光雷达系统来说，如果不考虑太阳和其它背景光的影响，系统接收到的回波信号功率可表示为

    Pr，Pt分别为激光雷达接收功率和激光发射脉冲功率；A为激光雷达望远镜接收面积；H，r分别为机载激光雷达飞行高度和海底深度；n为海水折射率；η1，η2分别为激光雷达光学效率和电子系统效率；ρ为海底反射率；K为海中漫射衰减系数；△r为水深距离分辨率；上述公式可由图10—29定性表示：

    假如海表和海底返回脉冲的时间间隔为△t，则水深为

    海表脉冲通常利用红外光来精确定位，一般利用Nd：YAG激光器波长为1.06μm激光测量，这种技术已经较成熟、可靠。于是，水深获取的关键取决于精确测量海底脉冲。从激光雷达方程看出，影响水深测量的因素很多，除激光发射功率、光学接收效率、视场角匹配等之外，还有以下因素对目标信号带来严重干扰：

    ①在混浊海水中，水体散射信号往往比目标反射信号大，因此必须对海水的后向散射进行抑制。一般采用光电探测器的变增益方法，对目标之前的信号采用小增益放大，而目标信号采用大增益放大。

    ②海水的衰减系数大，目标信号与海表信号强度差5～7个量级，而一般数字化仪的动态范围为2～3个量级，因此必须对信号的动态范围进行压缩，才能保证对目标信号的有效采集。采用对数放大和变增益控制，使信号的动态范围压缩到与数据采集系统的动态范围相当，可以实现目标信号的有效采集。

    ③太阳等背景杂散光对测量造成严重影响，强烈的背景光还会造成光电探测器的疲劳。因此一般采用窄带滤光器滤除背景光，滤光器的中心波长必须与激光的发射波长相匹配。

    上述技术是海洋激光雷达系统的关键技术。如果解决不好，将直接影响海洋激光雷达的性能指标。对机载系统，激光扫描也是关键，要求搜索范围大，速度快。这就要求，一方面需提高激光发射的重复频率，另一方面应采用好的扫描方式。在目前的海洋激光雷达中，逐点或圆形扫描是最常用的方式。

    在所有的海洋生物中，浮游植物占有特殊的地位，因为其它海洋生物以浮游植物作为直接或间接的食物来源。为观察海洋生物量的分布，调查者一般借助于测定海水中的叶绿素浓度来作为浮游植物生物量的指标。传统的仪器分析技术，如分光光度法、荧光分光光度法和色谱分析，虽然精度能满足要求，但这些方法依靠逐点采样测量的方式，且分析速度很慢，故很难应用于大面积水域的现场探测。

    遥感技术正好弥补了传统方法的不足，可以对大面积，甚至全球范围内水域进行叶绿素a浓度进行实时或动态监测。海洋激光雷达是进行叶绿素浓度测量的主动遥测设备，也是目前研究的一个热点。海色遥感卫星的发射，需要精确的地面遥测手段作为印证，激光雷达系统又可作为重要的印证设备。

    532nm的激光发射到海水中，海水激发的典型光谱见图10—30。除了532nm处的海水粒子散射外，还有水分子的喇曼散射、叶绿素分子的荧光以及其它生物分子的荧光。叶绿素分子在685nm处的荧光强弱与叶绿素浓度密切相关，因此可以通过记录叶绿素分子在685nm的荧光信号来获取叶绿素浓度信息。

    假设海洋激光荧光雷达放在海面以上Hm的平台上，接收海面以下rm深度叶绿素分子激发的荧光功率，则激光荧光雷达接收到的激光荧光信号为

    其中Pf为激光雷达接收到的荧光信号功率；Pt为激光雷达发射脉冲功率；σf为海水叶绿素荧光散射截面面积；C为叶绿素浓度；k为海洋漫射衰减系数；Kf为在荧光波长(685nm)海洋漫射衰减系数；△r为激光雷达探测距离分辨率；H，A，n同前。

    水的喇曼散射是水的固有特性，只与水分子的OH链有关。散射峰值波长与激发波长相比红移，即波长变长，光谱向红光方向移动3418cm-1。对532nm波长的激光，其喇曼散射在650nm。喇曼散射是一个相对窄带的信号，其接收信号决定喇曼波长的衰减系数。温度、盐度对它的影响只是使其形状的改变，而不影响其整个通带内的积分强度。

    喇曼散射与荧光在水中的辐射传输机制是相同的，因此激光雷达接收到的海水喇曼散射可表示为

    式中PR为激光雷达接收到的喇曼散射信号功率；Pt为激光雷达发射脉冲功率；σR为海水喇曼散射截面面积；N为单位体积内的水分子数；kR为在喇曼波段(645nm)海洋漫射衰减系数；H，A，n同前。荧光信号的强、弱与荧光分子数密度和荧光截面有关；同理喇曼信号的强弱也与喇曼散射分子数密度和喇曼散射截面有关。喇曼散射截面与温度、盐度只有微弱的关系，而与激光波长存在λ-4的关系，对固定的激光波长和温度范围5～20℃，可假设为一常数。而荧光与喇曼信号之比可消除激光能量的起伏、系统电子学和光学效率的不确定以及在532nm处的衰减系数等。海水喇曼散射仅决定于海水本身，不受海水中其它组分影响，因此它可作为一种校正信号。式(10—96)与(10—97)之比为

    若σR，N，σf已知，则叶绿素浓度C可由上式求得。

    上式基于以下的假设：①假设背景噪声和其它噪声已从测量信号中剔除；②认为荧光激励在685nm只是由叶绿素a分子引起的；③激光脉冲宽度大于荧光寿命。从喇曼/荧光比得到的叶绿素浓度是个相对量，精确浓度必须经过严格定标后才能得到。