多角度測(cè)量石油類(lèi)污染水體后向散射系數(shù)的方法研究

黃穎恩，黃妙芬，宋慶君，劉 遠(yuǎn)，張連龍，孫忠泳

（1.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 湛江 524088；3.國(guó)家海洋局國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；4.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023）

多角度測(cè)量石油類(lèi)污染水體后向散射系數(shù)的方法研究

黃穎恩1，黃妙芬2*，宋慶君3，劉 遠(yuǎn)4，張連龍4，孫忠泳2

（1.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 湛江 524088；3.國(guó)家海洋局國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；4.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023）

后向散射系數(shù)bb是水體固有光學(xué)參數(shù)之一，在水色遙感模型建立中起著重要的作用。目前主要利用美國(guó)Hobilabs公司的HydroScat-6(HS-6)或美國(guó)W etlabs公司的BB-9兩種后向散射測(cè)量?jī)x器在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。石油類(lèi)污染水體中石油類(lèi)物質(zhì)與懸浮泥沙共同影響著水體后向散射系數(shù)bb，這兩種儀器的測(cè)量值都是基于單一角度而獲取的，難以實(shí)現(xiàn)利用其來(lái)進(jìn)一步區(qū)分石油類(lèi)和懸浮物的后向散射系數(shù)貢獻(xiàn)。通過(guò)對(duì)純水、石英砂微粒、油污水進(jìn)行各種配比試驗(yàn)，獲取不同組合樣本，利用美國(guó)Sequoia Scientific公司的LISST-100X粒徑儀和美國(guó)W yatt公司的Dawn Heleos II（DAWN）十八角度靜動(dòng)態(tài)激光散射儀，結(jié)合M ie散射算法，探索出兩種多角度獲取bb的方法。一種是利用LISST-100X粒徑儀測(cè)量值，再基于M ie散射算法計(jì)算得到；另一種方法是對(duì)Dawn Heleos II十八角度靜動(dòng)態(tài)激光散射儀進(jìn)行定標(biāo)以后，利用其測(cè)量值計(jì)算出bb。對(duì)比分析了兩種方法所獲取的結(jié)果，并對(duì)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析。

石油污水水體，后向散射系數(shù)；M ie散射模型；LISST-100X粒徑儀；Dawn Heleos II激光散射儀

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油氣產(chǎn)業(yè)起到越來(lái)越重要的作用。然而陸地油氣資源已日漸枯竭，海洋油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然成為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。隨著海上石油的勘探開(kāi)發(fā)，石油類(lèi)污染已經(jīng)成為海洋環(huán)境的主要污染之一[1-2]。按輸入速度劃分，石油類(lèi)污染主要有慢性和突發(fā)性兩種[3]。慢性的石油類(lèi)污染，主要是天然海底滲漏、港口和船舶作業(yè)的含油污水排放、工業(yè)及生活污水排放等；突發(fā)性的石油類(lèi)污染，主要是溢油事故。當(dāng)溢油發(fā)生后，同時(shí)發(fā)生揮發(fā)、擴(kuò)散、漂移這3個(gè)過(guò)程[4]，除了揮發(fā)掉的組分，剩下的溢油將長(zhǎng)時(shí)間存在于海洋環(huán)境之中[5]，其對(duì)生態(tài)造成的危害是最難以恢復(fù)的。

水色遙感是獲取海洋光學(xué)特性和海洋組分信息的重要技術(shù)之一，水體后向散射系數(shù)（backscattering coefficient，bb）是水色遙感的一個(gè)重要參數(shù)，利用其進(jìn)行水色組分參數(shù)遙感提取的算法研究是目前的熱點(diǎn)[6]。已有的研究表明[7],石油類(lèi)物質(zhì)對(duì)水體后向散射的影響主要通過(guò)無(wú)機(jī)懸浮物來(lái)體現(xiàn)，因而在已確定的水體石油類(lèi)污染后向散射特性參數(shù)化模型中，需要進(jìn)一步區(qū)分石油類(lèi)物質(zhì)和顆粒物對(duì)后向散射的貢獻(xiàn)。目前水體后向散射系數(shù)的獲取主要是利用美國(guó)Hobilabs公司生產(chǎn)的HydroScat-6(HS-6)和美國(guó)Wetlabs公司生產(chǎn)的BB-9兩種后向散射測(cè)量?jī)x器在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。這兩種儀器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量存在著這樣的問(wèn)題：（1）測(cè)量值都是基于單一角度而獲取的，難以實(shí)現(xiàn)利用其來(lái)進(jìn)一步區(qū)分石油類(lèi)和懸浮物的后向散射系數(shù)貢獻(xiàn)，這需要探索出一種多角度測(cè)量后向散射系數(shù)的方法bb；（2）在某些不能投放儀器的海域，會(huì)造成后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)的缺失，如果能采集水樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量，將能對(duì)缺失數(shù)據(jù)起到彌補(bǔ)的作用。但這兩款儀器體積較大、對(duì)水深有一定要求，因此在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)使用HS-6或BB-9進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要大量水樣。為此利用美國(guó)Sequoia Scientific公司的LISST-100X（LISST）粒徑儀、美國(guó)Wyatt公司的Dawn Heleos II（DAWN）十八角度靜動(dòng)態(tài)激光散射儀，結(jié)合Mie散射模型，探討兩種用水量少、在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多角度測(cè)量后向散射系數(shù)的方法。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)流程

圖1描述了試驗(yàn)主要流程。在采用配比方法得到石英砂和油污水含量不同的水樣的基礎(chǔ)上，采用以下的具體步驟：（1）利用Mie散射模型的代碼、LISST粒徑儀測(cè)量石英砂水樣的數(shù)據(jù)和已知的石英砂折射指數(shù)（m砂=1.547）計(jì)算出理論的水體體積散射函數(shù)（Volume scattering function,VSF）βL(θ)(m-1· sr-1)；（2）將βL(θ)與DAWN十八角度激光測(cè)量石英砂水樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合以求出定標(biāo)公式與定標(biāo)系數(shù)；（3）根據(jù)定標(biāo)結(jié)果，將DAWN測(cè)量油污水水樣和混合水樣的數(shù)據(jù)換算成βD(θ)；（4）利用迭代法和t檢驗(yàn)，估計(jì)出油污水水樣和混合水樣中的微粒的折射指數(shù)m油和m混；（5）計(jì)算出不同微粒的水樣的后向散射系數(shù)bb，并比較不同方法的結(jié)果。

圖1 試驗(yàn)主要流程

1.2 Mie散射模型與微粒直徑的測(cè)量

1.2.1 水樣的配備 利用石英砂、純水、油污水進(jìn)行不同濃度的配比，得到純水水樣、石英砂的水樣、油污水的水樣以及石英砂和油污水混合的水樣，其中，油污水取自油田中的污水。表1列出了部分水樣的配比比例。

表1 水樣配比比例

1.2.2 Mie散射模型 光在真空和均勻介質(zhì)中是沿直線傳播,但介質(zhì)中混有微粒時(shí)，光傳播就會(huì)發(fā)生折射和散射。當(dāng)光的波長(zhǎng)與介質(zhì)中的各向同性的球形微粒的直徑在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，發(fā)生Mie散射。假設(shè)一束波長(zhǎng)為λ的單色光入射到直徑為D的各向同性的球形微粒上，設(shè)E⊥和E∥分別為入射光波的兩個(gè)正交分量，E⊥S和E∥S分別為散射角為θ的散射光的兩個(gè)正交分量，那么它們存在如下關(guān)系[8]：

式中：S1和S2為散射振幅，其形式如下[9]：

當(dāng)N>x時(shí)，S1和S2會(huì)迅速收斂，因此可用最大方程階數(shù)Nmax代替無(wú)窮大。

aN和bN為Mie系數(shù)，是關(guān)于相對(duì)折射率m和粒度x的函數(shù)，表示為Bessel-Ricatti函數(shù)，其形式如下：

其中，φN(x)和ξN(x)滿足如下關(guān)系：

式中：J為第I類(lèi)貝塞爾函數(shù)；Y為第II類(lèi)貝塞爾函數(shù)。τN和πN為角度系數(shù)，是關(guān)于散射角的函數(shù)，可表示為第一類(lèi)Lengendre多項(xiàng)式的函數(shù)[9]：

上述式子可用以下遞推關(guān)系進(jìn)行計(jì)算[10]：

Mie散射光強(qiáng)是關(guān)于微粒直徑D、相對(duì)折射指數(shù)m和入射光波λ的函數(shù)[11]，可利用公式(12)和(13)計(jì)算出相對(duì)折射指數(shù)m、粒度x：

式中：m粒是微粒折射指數(shù)；m介是介質(zhì)的折射指數(shù)。再利用公示（14）算出Mie散射效率Qβ(θ)[12]。

在計(jì)算Mie散射效率Qβ(θ)后再進(jìn)一步利用公示（15）計(jì)算混合粒徑的散射以及體散射函數(shù)βL(θ)的值。

對(duì)于混合粒徑的情況，需要將各單一粒徑的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行求和：

式中：C個(gè)為個(gè)數(shù)濃度，即單位體積所含微粒的個(gè)數(shù)（個(gè)/m3）。利用LISST-100X所測(cè)得的數(shù)據(jù)為樣本中各粒徑所對(duì)應(yīng)的體積濃度C體（是μL/L），即每升樣本中有所含微粒的體積。因此，需要將微粒視為微球，用公式（17）計(jì)算單個(gè)微粒的體積V粒，再用公式（18）計(jì)算得到C個(gè)：

1.2.3 粒徑測(cè)量與Mie散射的光強(qiáng)計(jì)算 計(jì)算Mie散射的光強(qiáng)需要知道入射光波長(zhǎng)λ、微粒的折射率和微粒直徑的函數(shù)。對(duì)于λ，取Wyatt Dawn Heleos II的工作波長(zhǎng)658 nm。微粒的折射率，石英砂微粒的折射率是已知的，為1.547，但油污水中的油滴微粒的折射率是未知的，對(duì)于只加入油污水的水樣以及石英砂微粒和油污水混合的水樣，并不能直接得到微粒的折射率，需要通過(guò)迭代法以及t檢驗(yàn)，找出兩種水樣中的顆粒折射率。對(duì)于微粒直徑采用LISST-100X粒徑儀進(jìn)行計(jì)算，表2為L(zhǎng)ISST-100X Type B測(cè)量的角度及對(duì)應(yīng)微粒直徑。

表2 LISST-100X B測(cè)量的角度及對(duì)應(yīng)微量直徑

1.3 WyattDawn Heleos II測(cè)量電壓值的轉(zhuǎn)換

1.3.1 散射強(qiáng)度的測(cè)量 Wyatt Dawn Heleos II激光散射儀可測(cè)量樣本在不同的角度的散射強(qiáng)度，不過(guò)輸出的值是電壓值。所發(fā)出的激光波長(zhǎng)為658 nm，這些角度分別為：22.5°,28.0°,32.0°,38.0°, 44.0°,50.0°,57.0°,64.0°,72.0°,81.0°,90.0°, 99.0°,108.0°,117.0°,126.0°,134.0°,141.0°和147.0°。，不是散射強(qiáng)度。本文中使用與用LISST-100X測(cè)量粒徑時(shí)所使用的相同樣本，再Wyatt Dawn Heleos II激光散射儀測(cè)量相應(yīng)樣本的散射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電壓值。

1.3.2 定標(biāo) Wyatt Dawn Heleos II輸出的是電壓值，所以通過(guò)定標(biāo)方式將電壓值轉(zhuǎn)換為散射強(qiáng)度。而標(biāo)的過(guò)程是在上述Mie散射模型代碼所算出的VSF為基礎(chǔ)而進(jìn)行的，利用1.2.3節(jié)測(cè)量得到的若干個(gè)石英砂微粒水樣18個(gè)角度對(duì)應(yīng)的VSF值，以及Wyatt Dawn Heleos II測(cè)量對(duì)應(yīng)水樣得到的電壓值作散點(diǎn)圖，然后進(jìn)行擬合。分析表明在散射角為22.5°的時(shí)候，乘冪的擬合程度最好其次是二次多項(xiàng)式（如圖2所示），其余的17個(gè)散射角度下乘冪的擬合程度仍然是最好的，因此使用乘冪函數(shù)作為定標(biāo)公式。表3列出了定標(biāo)公式以及不同散射角度所對(duì)應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)。

圖3 22.5°下Mie散射理論值與Dawn電壓值擬合

表3 不同散射角下的定標(biāo)系數(shù)-y=axb

1.4 折射指數(shù)的估計(jì)

如前所述，油滴微粒、石英砂與油滴混合微粒的折射指數(shù)是需要估計(jì)的，按照最簡(jiǎn)單的思路，進(jìn)行Mie散射模型的逆運(yùn)算能算出折射指數(shù)。但是，從1.2.2節(jié)所給出的公式可以看到，要算出β(θ)，則需先算出Qβ(θ)，要算出Qβ(θ)，則需先算出S1和S2，要算出S1和S2，則需先算出aN，bN，τN和πN，而aN和bN均為關(guān)于m，λ，D的函數(shù)，τN和πN均為關(guān)于θ的函數(shù)。由此看出，從多個(gè)參數(shù)算出一個(gè)參數(shù)這樣的計(jì)算進(jìn)行了若干次。

如果要進(jìn)行逆運(yùn)算，就要由一個(gè)參數(shù)算出原來(lái)的多個(gè)參數(shù)，顯然這是不可能的，例如式（5）和式（6）中mx這一乘積，當(dāng)m和x變化倍數(shù)互為倒數(shù)的時(shí)候（例如m變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，x變?yōu)樵瓉?lái)的1/2），mx的大小并沒(méi)有發(fā)生變化，換句話說(shuō)，得到mx的值卻確定不了m和x的值，所以，進(jìn)行Mie散射模型的逆運(yùn)算的思路行不通，因此使用迭代法估計(jì)微粒的折射指數(shù)。這種方法，首先要給定一個(gè)折射指數(shù)的初始值，計(jì)算出VSF的理論值，然后與Wyatt Dawn Heleos II所測(cè)量并換算得到的VSF進(jìn)行t檢驗(yàn)，得到事件概率P（當(dāng)P值越接近1，差異越?。Ｈ缓笫拐凵渲笖?shù)增大，再計(jì)算一次理論值、進(jìn)行t檢驗(yàn)、得到P。重復(fù)地按一定步長(zhǎng)增大的折射指數(shù)、計(jì)算理論值、進(jìn)行t檢驗(yàn)，直到P最接近1，此時(shí)的折射指數(shù)即最接近真實(shí)值。然后，將加入油污水的各個(gè)樣本所估計(jì)的折射指數(shù)去平均值，石英砂和油污水混合的水樣也是，分別得到油滴微粒的折射指數(shù)為1.453，石英砂與油滴混合微粒的折射指數(shù)為1.472。最后，將上述的折射指數(shù)代入到代碼中計(jì)算出理論的VSF，與Wyatt Dawn Heleos II所測(cè)量并換算得到的VSF進(jìn)行t檢驗(yàn)，以分析得到的折射指數(shù)是否準(zhǔn)確。表4為部分微粒的折射指數(shù)估計(jì)結(jié)果。

表4 部分折射指數(shù)的估計(jì)結(jié)果

1.5 后向散射系數(shù)的計(jì)算

后向散射系數(shù)的計(jì)算公式如式(19)所示，可看作一個(gè)在散射角度上連續(xù)的函數(shù)β(θ)sin(θ)的積分[12]，但是Wyatt Dawn Heleos II在后向的角度只有7個(gè)，分別為99°，108°，117°，126°，134°，141°和147°，并不是連續(xù)的，因此不能求出β(θ)sin(θ)的原函數(shù)。此外，這些角度分布稀疏，如果直接用梯形積分法，會(huì)帶來(lái)較大的誤差。因此并不能直接用β(θ)sin(θ)進(jìn)行積分。

從積分的定義來(lái)看，式（19）可理解為β(θ)sin(θ)的原函數(shù)，在積分上下限之間的差值的2π倍。因此如果通過(guò)擬合找出替代β(θ)sin(θ)的函數(shù)，同時(shí)該函數(shù)又易于求出原函數(shù)，那么就可以通過(guò)這個(gè)擬合的函數(shù)的原函數(shù)計(jì)算后向散射系數(shù)。顯然，多項(xiàng)式函數(shù)是一種易于求原函數(shù)的函數(shù)，因此使用多項(xiàng)式擬合使β(θ)sin(θ)轉(zhuǎn)換成如下形式：

Mankovsky測(cè)得一系列的散射角度分布密集的VSF[13]，通過(guò)對(duì)這些VSF使用積分的方法，與多項(xiàng)式擬合的方法進(jìn)行的對(duì)比，認(rèn)為三次多項(xiàng)式擬合即可達(dá)到足夠的精度。即β(θ)sin(θ)轉(zhuǎn)換成如下形式，然后進(jìn)行擬合：

在擬合的時(shí)候，除了用這7個(gè)角度以及對(duì)應(yīng)的β(θ)以外，要注意到在θ=π處，sin(θ)=0，因此使用8對(duì)數(shù)進(jìn)行擬合，得到多項(xiàng)式系數(shù)a0～a4。設(shè)F(θ)為f(θ)的原函數(shù)，則后向散射系數(shù)的最終形式如下：

2 結(jié)果與分析

在估計(jì)m油和m混以后，將m油和m混代入到Mie散射模型算出VSF-βL估油(θ)和βL估混(θ)，并分別與Wyatt Dawn Heleos II所測(cè)量并換算得到的VSF-βD油(θ)和βD混(θ)進(jìn)行t檢驗(yàn)，以分析m油和m混是否準(zhǔn)確。表5為βL估油(θ)和βD油(θ)以及βL估混(θ)和βD混(θ)的t檢驗(yàn)結(jié)果的P值。可以看出，兩種方法測(cè)量的VSF的差異是非常小的，但是對(duì)于水色遙感來(lái)說(shuō)，后向散射部分顯得尤為重要，下面針對(duì)VSF的后向散射部分以及后向散射系數(shù)bb進(jìn)行分析。

表5 兩種方法的VSF比較

2.1 VSF的后向散射部分βb(θ)的對(duì)比

如圖5所示，兩種方法得到的石英砂水樣的VSF的后向散射部分βDb(θ)相對(duì)于其他兩種水樣更加相近的，但是并沒(méi)有重合得很好，這表明了后向散射部分的定標(biāo)存在一定誤差，從表3的R2也可以得到相同的結(jié)論。還可以看出，由Wyatt Dawn Heleos II定標(biāo)換算得到的3種水樣的βDb(θ)，各相鄰散射角度之間的單調(diào)性變化相同，例如在99°與108°之間，3種水樣的βDb(θ)均呈遞增關(guān)系。Wyatt Dawn Heleos II的測(cè)量結(jié)果表明，這3種水樣的后向散射是相近的。

圖5 3種水樣的VSF在后向散射部分的對(duì)比

但是，基于Mie散射模型算出來(lái)的VSF的后向散射部分βLb(θ)在各相鄰散射角度之間的單調(diào)性卻是有差異的。不僅僅本試驗(yàn)中的樣本是如此的，在入射波長(zhǎng)λ、微粒直徑D不變，只改變微粒的折射指數(shù)m粒的情況下，模型的結(jié)果仍然表現(xiàn)出這樣的情況，如圖6所示。這可能在折射指數(shù)估計(jì)過(guò)程中的誤差較大。

圖6 后向散射隨折射指數(shù)m粒變化

這兩種方法所得到的VSF的后向散射部分結(jié)果有所不同。根據(jù)LISST-100X的測(cè)量原理，儀器所能獲得的是小角度散射的光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為體積濃度輸出，而油污水是從油田采集的，其組分相對(duì)于油和純水的混合要更復(fù)雜，當(dāng)油污水存在某些微粒，其粒徑分布與石英砂水樣不同，但是這些微粒對(duì)后向散射的貢獻(xiàn)卻與石英砂的相似并且占主導(dǎo)的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象。

2.2 后向散射系數(shù)對(duì)比

從表6可以看到，在相對(duì)低微粒濃度的情況下，兩種方法得到的bb的差異相對(duì)較小。但是，兩種方法得到的油污水水樣的bb之間的差異是最小的，似乎與章節(jié)2.1的分析相矛盾。如果從積分的計(jì)算以及式（21）來(lái)看，后向散射系數(shù)的大小，在計(jì)算上是由ΔF決定的，換句話說(shuō)，在只考慮ΔF的情況下，若F(π)和F(π/2)同時(shí)增大或減小，ΔF將不發(fā)生變化，因此兩種方法得到的油污水水樣的bb之間的差異最小，并不與章節(jié)2.1部分的分析相矛盾。更深入的，計(jì)算了兩種方法得到的F(π)和F(π/2)，從圖7可以看出，兩種方法得到的F(π)和F(π/2)差異相當(dāng)明顯，從圖5來(lái)看，兩種方法β(99°)-β(147°)的值是比較相近的，在多項(xiàng)式擬合以后，這個(gè)性質(zhì)保留了下來(lái)，使ΔF也相近，所以bb之間的差異也顯得相對(duì)小。這再一次表明了后向散射部分的定標(biāo)存在一定誤差。所以，兩種方法得到的bb差異小，并不能說(shuō)明βDb(θ)和βLb(θ)相近。

表6 兩種方法得到的后向散射系數(shù)的對(duì)比

圖7 兩種方法得到的F(π)和F(π/2)

2.3 誤差分析

從原理上分析，散射是由介質(zhì)中的微粒受到光的照射而引起的，因此光的波長(zhǎng)不同、介質(zhì)的不同、介質(zhì)中的微粒狀態(tài)的不同，均會(huì)導(dǎo)致散射現(xiàn)象的變化。而本試驗(yàn)中，確定了波長(zhǎng)為658 nm，介質(zhì)為純水，所以主要的誤差，應(yīng)由微粒而引起的，并歸納為以下幾點(diǎn)：（1）油污水中的微粒并不單一的只是油滴微粒，還含有相當(dāng)數(shù)量與種類(lèi)的其他微粒，這些微粒互相吸附；（2）上述的其他微粒除了可能互相吸附，還可能會(huì)降解；（3）石英砂微粒和油滴微?；旌虾?，在互相吸附后，可能會(huì)出現(xiàn)石英砂微粒和石英砂微粒油滴微粒互相附著的微粒、兩種微粒剛好互相完全吸附、油滴微粒和石英砂微粒油滴微?；ハ喔街奈⒘?、兩種獨(dú)立存在的微粒和互相吸附的微粒、若干石英砂微粒和若干油滴微粒互相吸附等多種狀態(tài)；（4）石英砂微粒之間也有一定程度的吸附。這種微粒的不確定性，使得圖5的現(xiàn)象得不到很好的解釋。

從數(shù)據(jù)上分析，在0～45°之間，β(θ)隨著散射角θ的增大而迅速減小，而βb(θ)基本不變，其大小約為β(45°)的1/10，因此在定標(biāo)、t檢驗(yàn)的過(guò)程中，后向散射部分的誤差相對(duì)于整體來(lái)說(shuō)是很小的，所以兩個(gè)方法的VSF整體結(jié)果沒(méi)有太大差異，而βb(θ)的差異相對(duì)明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)配比試驗(yàn)，獲取純水、石英砂微粒、油污水的不同組合樣本，利用美國(guó)Sequoia Scientific公司的LISST-100X粒徑儀和美國(guó)Wyatt公司的Dawn Heleos II（DAWN）十八角度靜動(dòng)態(tài)激光散射儀，結(jié)合Mie散射算法，探索出兩種多角度獲取bb的方法，對(duì)比分析結(jié)果表明兩種方式測(cè)量結(jié)果存在著一定的差異。今后將針對(duì)以下方面改進(jìn)試驗(yàn)：（1）使用石油類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和純水配制成含油水樣，但需要設(shè)法有效地將該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以微粒的形式存在于純水之中；（2）設(shè)法將混合的水樣中的所有的石英砂微粒都被油滴微粒包裹；（3）估計(jì)折射指數(shù)的時(shí)候，需要將后向散射部分的誤差降至最低。此外，本試驗(yàn)僅使用了LISST-100X、Wyatt Dawn Heleos II、Mie散射模型進(jìn)行測(cè)量與分析，存在一定局限性，應(yīng)增加HS-6測(cè)量試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與HS-6的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以便更好地分析試驗(yàn)現(xiàn)象。至于這兩種方法測(cè)量后向散射系數(shù)的可行性，有待進(jìn)一步的探討。

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Study on the Backscattering Coefficient of Petroleum Polluted Waterswith Multi-Angle Measurement

HUANG Ying-en1,HUANGMiao-fen2,SONGQing-jun3,LIU Yuan4,ZHANG Lian-long4,SUN Zhong-yong2
1.College of Ocean and Meteorology,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,Guangdong Province,China; 2.College ofMathematics and Computer,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,Guangdong Province,China; 3.National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China; 4.College ofMarine Science and Technology and Environment,Dalian Ocean University,Dalian 116023,Liaoning Province,China

As one of the inherent optical parameters ofwaters,the backscattering coefficient bbplays a significant role in water remote sensing modeling.Actually,there are oil particles adhering to suspended sediments in waters.Currently,the HydroScat-6 (HS-6)and BB9,instruments respectively developed by the Hobilabs and Wetlabs,are mostly used for bbin-situ measurement.The bbcan be influenced by petroleum substances and suspended sediments jointly in petroleum polluted waters.In addition,the data are obtained based on a single angle,which gives rise to great difficulty in further distinguishing the contributions of petroleum and suspended sediments to backscattering coefficient.Different combination samples are obtained through mixing various amounts of pure water,quartz sand and petroleum polluted water.The LISST-100X(Laser In-situ Scattering and Transmissometry)developed by Sequoia Scientific,aswell as Dawn Heleos II(Multi-Angle Static Light Scattering Detector)developed by Wyatt,are adopted combined with the Mie scatter algorithm,so as to figure out bb;and the other approach is to use Dawn Heleos II to derive bbafter calibration and measurement.This paper compares and analyzes the results of the twomethods,and probes into the cause of errors.

petroleum polluted water;backscattering coefficient;Mie scattering model;LISST-100X grain-size instrument;Wyatt Dawn Heleos II laser scattering instrument

TP722.4

A

1003-2029（2017）01-0007-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.002

2016-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41271364）；廣東海洋大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（E16187）

黃穎恩（1992-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笏b感。E-mail：bao_zugong@126.com

黃妙芬（1963-），女，教授，博士，從事水色遙感和熱紅外遙感研究。E-mail:hmf808@163.com