光源偏振對(duì)水體顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量的影響

劉 佳，龔 芳，何賢強(qiáng)，朱乾坤，黃海清

1. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012 2. 遙感與智能信息系統(tǒng)研究中心，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119

光源偏振對(duì)水體顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量的影響

劉 佳1,2，龔 芳1*，何賢強(qiáng)1，朱乾坤1，黃海清1

1. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012 2. 遙感與智能信息系統(tǒng)研究中心，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119

顆粒后向散射系數(shù)是水體主要的固有光學(xué)特性，也是海洋水色的決定因子和海洋水色衛(wèi)星遙感反演的基礎(chǔ)參數(shù)。當(dāng)前，利用光學(xué)儀器現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量是獲取水體顆粒后向散射系數(shù)的主要方法。由于光源自身和儀器光路中鏡面反射和折射，其出射光源可能存在一定的偏振，進(jìn)而會(huì)影響水體后向散射系數(shù)測(cè)量的精度。目前，關(guān)于水體后向散射系數(shù)測(cè)量?jī)x器的光源偏振性及其對(duì)顆粒后散射系數(shù)測(cè)量精度影響的研究尚為空白。針對(duì)該問題，以應(yīng)用廣泛的水體后向散射測(cè)量?jī)xHydroScat6(HS-6)為例，對(duì)其出射光源的偏振特性進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)量，并進(jìn)一步開展了光源偏振對(duì)水體顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量精度影響的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，HS-6六個(gè)光學(xué)通道除590 nm通道出射光源偏振度略低外(～15%)，其他通道出射光源中心波長(zhǎng)偏振度均在20%～30%。因此，HS-6出射光源具有顯著的偏振特性。光源偏振對(duì)顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量具有不可忽略的影響，且影響程度隨著波段，線偏振角度及懸浮泥沙濃度而變化。不同懸浮泥沙濃度下，光源偏振引起的420，442，470，510，590和670 nm六個(gè)波段的平均偏差可達(dá)15.49%，11.27%，12.79%，14.43%，13.76%，12.46%。因此，利用光學(xué)儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量顆粒后向散射系數(shù)需要考慮光源偏振的影響，并需盡可能降低出射光源的偏振度。

偏振；后向散射系數(shù)；固有光學(xué)特性；水色遙感

引 言

顆粒后向散射系數(shù)是水體主要的固有光學(xué)量，只與水體顆粒組份有關(guān)，不隨光照條件變化[1]。同時(shí)，顆粒后向散射系數(shù)是海洋水色衛(wèi)星遙感反演的基礎(chǔ)參數(shù)[2]，是海洋水色決定因子之一[3]。此外，顆粒后向散射系數(shù)在海洋初級(jí)生產(chǎn)力估算[4]，有害藻種監(jiān)測(cè)和識(shí)別[5]，浮游植物群落結(jié)構(gòu)識(shí)別[6]，水質(zhì)評(píng)價(jià)[7]及輻射傳輸模型建立[8]等方面具有重要應(yīng)用。當(dāng)前，利用光學(xué)儀器現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量是獲取水體顆粒后向散射系數(shù)的主要方法，如HOBI Labs公司Hydroscat-6P (HS-6)，Satlantic公司的VSF3和BB9等。Twardowski等[2]對(duì)比分析了HS-6和BB9的測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)它們有10%左右的差異。Boss等[9]在長(zhǎng)時(shí)間序列站LEO15進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，VSF3和HS-6擁有較好的一致性。Jφrgensen等[10]對(duì)四臺(tái)HOBI Labs HydroScat后向散射儀進(jìn)行比對(duì)，在其中兩個(gè)站位的測(cè)量結(jié)果顯示四臺(tái)儀器具有較好的一致性，但是其中兩臺(tái)儀器測(cè)量結(jié)果略高于其他兩臺(tái)，且不同波段，水深的測(cè)量結(jié)果偏差略有不同。張儇[11]基于兩種不同類型顆粒進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果，對(duì)比分析了3臺(tái)后向散射測(cè)量?jī)x(HS-6，VSF3和BB9)的一致性，結(jié)果表明3臺(tái)儀器在低濁度的水體中一致性較好，但是在高濁度水體中HS-6和BB9結(jié)果比VSF3要大；同時(shí)指出顆粒形狀的復(fù)雜性會(huì)對(duì)后向散射系數(shù)測(cè)量結(jié)果造成一定的影響。

但上述的研究均沒有考慮儀器光源可能存在的偏振特性，從而對(duì)顆粒后散射系數(shù)的測(cè)量精度造成影響。實(shí)際上，顆粒散射對(duì)光源的偏振較為敏感，大量研究表明，離水輻射的偏振度與水體顆粒的散射作用有關(guān)[12-14]。Chami[12]在布儒斯特角下研究了渾濁水體中離水輻射偏振度的變化規(guī)律，并提出了利用偏振度反演無機(jī)顆粒物濃度的方法。Loisel[13]利用POLDER-2衛(wèi)星傳感器的偏振反射率數(shù)據(jù)反演了高渾濁水體中懸浮顆粒濃度。何賢強(qiáng)[14]提出平行偏振輻射的概念，研究表明其能夠大幅地降低太陽耀光并提高水色信噪比。Tonizzo等[15]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果研究了上行輻亮度偏振度與水體吸收衰減比之間的關(guān)系，并根據(jù)水體偏振信號(hào)建立了懸浮顆粒物濃度，粒徑的反演方法。目前，關(guān)于水體后向散射系數(shù)測(cè)量?jī)x器的光源偏振特性，以及其對(duì)顆粒后散射系數(shù)測(cè)量精度影響的研究尚為空白。針對(duì)該問題，本文以應(yīng)用廣泛的HS-6為例，對(duì)HS-6的光源偏振性進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)量，并開展了光源偏振對(duì)水體顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 光源偏振特性測(cè)量

(1)測(cè)量原理

光波為橫波，可由Stokes矢量完整描述其強(qiáng)度及偏振態(tài)信息

(1)

(2)

當(dāng)入射光透過理想(無衰減)線偏振片時(shí)，則出射光的Stokes矢量Sout為

(3)

式中，Mp為米勒矩陣：

(4)

式中，θ為線偏振片透過方向與參考面的夾角。由此可得透射光總輻射強(qiáng)度為

(5)

由式(5)可知，只要測(cè)量三個(gè)不同線偏振角度(如0° ，60° ，120°)的透射光輻亮度，就可以計(jì)算出入射光波的偏振信息。

(2)測(cè)量方法

圖1所示為HS-6光路的示意圖，HS-6共有6個(gè)獨(dú)立波段(中心波長(zhǎng)分別為420，442，470，510，590和670 nm)，每個(gè)波段對(duì)應(yīng)不同的類似圖1的光路。對(duì)每個(gè)波段，在垂直于出射光源傳輸方向垂直面上放置線偏振片(LPVISE050-A)。LPVISE050-A線偏振片在可見光波段具有高透過率和超過99%的偏振效率。通過旋轉(zhuǎn)線偏振片，可獲得不同透過方向的線偏振光，并利用地物波譜儀(ASD)測(cè)量通過線偏振片后的輻亮度。本文測(cè)量了0° ，45°，60°，90°，120°和135°線偏振角度下的輻亮度。實(shí)驗(yàn)中，先將ASD光纖探頭固定在HS-6光路內(nèi)并對(duì)準(zhǔn)光路中心，并測(cè)量未加線偏振片的輻亮度值；然后，依次測(cè)量不同線偏振角度下的輻亮度值，每個(gè)角度測(cè)量240次，并重復(fù)測(cè)量三次取平均值。最后利用式(5)獲得光源Stokes 矢量和偏振度。

Fig.1 The sketch map of the optical path for each band of HydroScat 6

1.2 偏振光源下顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量

(1)測(cè)量原理

后向散射系數(shù)為后向半球體散射系數(shù)的積分

(6)

式中β(Ψ；λ)為體散射系數(shù)，Ψ為散射角。HS-6測(cè)量中心散射角140°的體散射系數(shù)，然后根據(jù)積分中值定理估算bb(λ)。

bb=2πχβ(140)

(7)

其中χ為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為1.08[16]。

通過在出射光源路徑上加入線偏振器LPVISE050-A(圖1)，獲得線偏振光源。同時(shí)，由于透過線偏振片后光波能量衰減，使得接收到的后向散射信號(hào)也相應(yīng)減弱，最終導(dǎo)致后向散射系數(shù)被低估[式(7)]。因此，需要對(duì)線偏振片能量衰減進(jìn)行校正。根據(jù)1.1節(jié)，我們測(cè)量獲得未加偏振片的原始光源輻亮度(L0)，以及加偏振片后不同線偏振方向的輻亮度(Lp)，由此得到校正因子

(8)

則偏振光源測(cè)量獲得的后向散射系數(shù)需要乘以系數(shù)k。

(2)測(cè)量方法

在內(nèi)壁完全涂黑的箱型容器內(nèi)(長(zhǎng)30 cm，寬30 cm，高40 cm)加入一定體積的純凈水，靜置24 h去除氣泡。首先對(duì)容器內(nèi)的純凈水測(cè)量，以此作為本底值檢驗(yàn)桶壁及底部反射對(duì)測(cè)量的影響。然后，依次加入事先稱重過的泥沙樣品(采自錢塘江口門)，配比獲得不同濃度的懸浮泥沙溶液(0.5，5，15，30和100 mg·L-1)。為了防止懸浮泥沙顆粒物沉淀，在容器內(nèi)加入水泵攪動(dòng)，混合均勻之后測(cè)量各濃度下的顆粒向散射系數(shù)。對(duì)于每種濃度，依次測(cè)量未加偏振片和加偏振片時(shí)(旋轉(zhuǎn)線偏振片獲得不同偏振方向)的顆粒后向散射系數(shù)，分別重復(fù)測(cè)量3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 HS-6光源偏振性

圖2為HS-6六個(gè)波段光源偏振特性測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果顯示，除590 nm通道DOP略低外(～15%)，其他通道中心波長(zhǎng)DOP均在20～30%。因此，HS-6光源具有顯著的偏振性。HS-6通過透鏡來調(diào)整從LED發(fā)出的光，經(jīng)過棱鏡改變光波傳輸方向后入射到水中，經(jīng)顆粒后向散射到達(dá)探測(cè)器(圖1)。HS-6使用濾光片獲得各通道波長(zhǎng)范圍，然后通過透鏡將接收到的后向散射光聚焦到硅探測(cè)器上。HS-6光源經(jīng)過一系列鏡面的反射，折射作用及懸浮顆粒物的散射作用最終到達(dá)探測(cè)器。根據(jù)菲涅爾反射和折射定律可知，光波經(jīng)過鏡面反射后其偏振態(tài)將發(fā)生變化[17]。因此當(dāng)HS-6光源以非垂直角度經(jīng)過棱鏡，透鏡等光學(xué)元件后，其光波偏振特性發(fā)生變化，成為部分偏振光。此外，由于HS-6光源不穩(wěn)定(LED約每2 s會(huì)關(guān)閉0.1 s)，導(dǎo)致DOP測(cè)量結(jié)果具有一定程度的不確定性。

表1為HS-6不同通道，不同線偏振方向的校正因子K值測(cè)量結(jié)果。系數(shù)K表征了由于加入線偏振片PVISE050-A后造成的輻射能量衰減程度。同樣，各偏振方向上K值的差異性說明了HS-6光源存在顯著的偏振性。

Table 1 Polarized radiometric calibration coefficient K of HydroScat 6

Fig.2 The measured radiances at different linear polarization angles and the DOP

2.2 光源偏振對(duì)顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量的影響

(1) 測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)

圖3(a)為測(cè)量獲得的純凈水后向散射系數(shù)結(jié)果與Morel[18]純水體散射系數(shù)理論模型結(jié)果的比較。盡管測(cè)量結(jié)果略高于理論模型，兩者總體上一致性較好。測(cè)量值略高于理論值可能是由于純凈水中仍然含有少量的顆粒物造成。兩次測(cè)量的結(jié)果變化不明顯，說明HS-6在測(cè)量過程中穩(wěn)定。

HS-6采樣間隔為1 s，每次測(cè)量約1 min，重復(fù)測(cè)量三次。以1 min測(cè)量平均值作為測(cè)量結(jié)果。首先對(duì)不同線偏振角度下各個(gè)懸浮泥沙溶液后向散射系數(shù)測(cè)量樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，以樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差與樣本平均值比值作為參數(shù)研究樣本測(cè)量過程中測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，結(jié)果如圖3(b)—(f)所示。樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差與樣本均值比值大部分控制在3%以內(nèi)，只有少部分樣本超過5%，說明數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。因此，我們選取三次測(cè)量中質(zhì)量相對(duì)較好的其中一組，用來分析光源偏振對(duì)顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量的影響。

Fig.3 The quality analysis results of Sample data

(2) 測(cè)量結(jié)果

圖4為懸浮泥沙溶液在不同線偏振角度下(0°，45°，60°，90°，120°，135°)與未加線偏振片測(cè)量獲得的顆粒后向散射系數(shù)(注：bbuncorr未經(jīng)過溫鹽以及純水校正)的比較(當(dāng)懸浮物濃度為0.5 mg·L-1，線偏振角為120°時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)損壞缺失)?？梢钥闯?，不同偏振角度的光源測(cè)得結(jié)果具有顯著的差異，說明光源偏振對(duì)顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量具有不可忽略的影響。

Fig.4 The backscatter coefficients measured at different polarizing angles and without polarizer under different suspended sediment concentrations

以未加偏振片的測(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不同線偏振角度下測(cè)量結(jié)果的相對(duì)偏差值，如表2和圖5所示。顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量結(jié)果平均相對(duì)偏差隨著線偏振角度變化差異顯著。在線性偏振角度為60°時(shí)相對(duì)偏差最高，可達(dá)22.30%。當(dāng)懸浮泥沙濃度為100 mg·L-1時(shí)，相對(duì)偏差最高可達(dá)48.23%。420，442，470，510，590和670 nm六個(gè)波段偏差的平均值分別為15.35%，11.17%，12.67%，14.67%，13.50%，12.12%，平均值為13.25%。

結(jié)果表明，光源偏振對(duì)后向散射系數(shù)測(cè)量具有顯著的影響，且影響程度隨著波段，線偏振角度及懸浮泥沙濃度而變化。原因包括多方面，一方面是因?yàn)椴煌駪B(tài)的光波經(jīng)過水體懸浮顆粒散射，其偏振狀態(tài)將發(fā)生改變，且偏振態(tài)的改變與顆粒的形狀及光學(xué)特性密切相關(guān)。懸浮顆粒的組份，粒徑分布和形狀等因素都會(huì)對(duì)散射光的強(qiáng)度及偏振態(tài)的變化規(guī)律產(chǎn)生影響[19]，導(dǎo)致不同線偏振光源測(cè)量獲得的顆粒后向散射系數(shù)具有差異。

Fig.5 Relative deviations of the backscatter coefficient measured at different polarizing angles and suspended sediment concentrations

Table 2 The mean deviations of the backscatter coefficient at different polarizing angles and suspended sediment concentrations

polarizingangles420nm442nm470nm510nm590nm690nm018.9316.1719.9614.1719.1112.394513.397.533.508.5817.7013.366022.307.8514.1316.8014.4616.569012.4515.0214.4413.959.9917.1212013.5111.9614.9013.0413.8310.8913511.558.519.0821.455.912.41average15.3511.1712.6714.6713.5012.12

此外，顆粒物散射作用與光波性質(zhì)有密切的關(guān)系，顆粒物對(duì)不同波長(zhǎng)入射光源散射系數(shù)不同。而HS-6后向散射光接收器可能對(duì)入射光的偏振特性敏感，且不同波段具有不同偏振響應(yīng)。入射光的偏振度和偏振方向影響HS-6探測(cè)器的偏振響應(yīng)度，進(jìn)而影響測(cè)量準(zhǔn)確度。針對(duì)探測(cè)器偏振響應(yīng)引起測(cè)量誤差的問題，儀器在裝配探測(cè)器前應(yīng)該測(cè)量不同偏振方向的響應(yīng)度，以此來糾正測(cè)量誤差。

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)HS-6光源偏振特性及其對(duì)顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量影響進(jìn)行了研究，獲得以下主要結(jié)論：

(1)HS-6光源具有顯著的偏振性，除590 nm通道偏振度略低外(～15%)，其他通道均在20～30%；

(2)光源偏振對(duì)顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量具有不可忽略的影響。不同懸浮泥沙濃度下，光源偏振引起的420，442，470，510，590和670 nm六個(gè)波段的平均偏差可達(dá)15.49%，11.27%，12.79%，14.43%，13.76%，12.46%。

研究結(jié)果說明光源偏振對(duì)顆粒后向散射系數(shù)測(cè)量具有不可忽略的影響。當(dāng)前，利用光學(xué)儀器(如HS-6，VSF3和BB9)測(cè)量水體顆粒后向散射系數(shù)均沒有考慮光源偏振的影響，因此，下一步需要深入開展校正方法的研究。

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*Corresponding author

Impact of Light Polarization on the Measurement of Water Particulate Backscattering Coefficient

LIU Jia1,2, GONG Fang1*, HE Xian-qiang1, ZHU Qian-kun1, HUANG Hai-qing1

1. State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China

2. Laboratory of Remote Sensing and Intelligent Information System, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics of Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China

Particulate backscattering coefficient is a main inherent optical properties (IOPs) of water, which is also a determining factor of ocean color and a basic parameter for inversion of satellite ocean color remote sensing. In-situ measurement with optical instruments is currently the main method for obtaining the particulate backscattering coefficient of water. Due to reflection and refraction by the mirrors in the instrument optical path, the emergent light source from the instrument may be partly polarized, thus to impact the measurement accuracy of water backscattering coefficient. At present, the light polarization of measuring instruments and its impact on the measurement accuracy of particulate backscattering coefficient are still poorly known. For this reason, taking a widely used backscattering coefficient measuring instrument HydroScat6 (HS-6) as an example in this paper, the polarization characteristic of the emergent light from the instrument was systematically measured, and further experimental study on the impact of the light polarization on the measurement accuracy of the particulate backscattering coefficient of water was carried out. The results show that the degree of polarization(DOP) of the central wavelength of emergent light ranges from 20% to 30% for all of the six channels of the HS-6, except the 590 nm channel from which the DOP of the emergent light is slightly low (～15%). Therefore, the emergent light from the HS-6 has significant polarization. Light polarization has non-neglectable impact on the measurement of particulate backscattering coefficient, and the impact degree varies with the wave band, linear polarization angle and suspended particulate matter(SPM) concentration. At different SPM concentrations, the mean difference caused by light polarization can reach 15.49%, 11.27%, 12.79%, 14.43%, 13.76%, and 12.46% in six bands, 420, 442, 470, 510, 590, and 670 nm, respectively. Consequently, the impact of light polarization on the measurement of particulate backscattering coefficient with an optical instrument should be taken into account, and the DOP of the emergent light should be reduced as much as possible.

Polarization；Backscattering coefficient；Inherent optical properties；Ocean color remote sensing

Aug. 20, 2014; accepted Dec. 21, 2014)

2014-08-20，

2014-12-21

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD13B01)，國家(863計(jì)劃)課題(2014AA123301)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41322039, 41271378, 41321004)，全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)項(xiàng)目(GASI-03-03-01-01)資助

劉 佳，1988年生，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所實(shí)習(xí)研究員 e-mail: 763533751@qq.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: gongfang@sio.org.cn

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10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0031-07