陳祥子,贠子平
(海南熱帶海洋學(xué)院 海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院,海南 三亞 572022)
海洋光學(xué)中將海水的光學(xué)性質(zhì)分為兩類:一是海水內(nèi)在的光學(xué)性質(zhì),它只取決于水體的組成成分,不隨光照條件的改變而改變,被稱為海水的固有光學(xué)特性,如海水的吸收特性、海水的散射特性和海水的衰減特性;二是海水外在的光學(xué)性質(zhì),它不僅取決于水體的組成成分,且隨光照條件的改變而發(fā)生變化,被稱為海水的表觀光學(xué)特性,如海面的輻照度、輻亮度,水體剖面的輻照度、輻亮度等特性。與海水的固有光學(xué)特性和表觀光學(xué)特性相對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別是海水的固有光學(xué)參數(shù)和海水的表觀光學(xué)參數(shù)。海水固有光學(xué)參數(shù)的測(cè)量是研究光在海水中傳輸規(guī)律的前提,也是水下光學(xué)應(yīng)用探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。重要的固有光學(xué)參數(shù)包括:光譜吸收系數(shù)、光譜散射系數(shù)、光衰減系數(shù)、體積散射函數(shù)、前向散射系數(shù)、后向散射系數(shù)、后向散射率等。本研究對(duì)重要的固有光學(xué)參數(shù)定義及測(cè)量方法進(jìn)行闡述和歸納總結(jié),為科研工作者提供參考及借鑒。
海水對(duì)光的吸收表現(xiàn)為入射到海水中的光子能量部分轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,光子消失,海水的吸收過(guò)程導(dǎo)致水下光束能量的損失。海水的光譜吸收系數(shù)定義為強(qiáng)度為I的單色準(zhǔn)直光束在海水中的傳輸,當(dāng)路徑為dx時(shí),海水介質(zhì)吸收引起的光強(qiáng)損失為dI,滿足關(guān)系式[1]14
(1)
其中比例系數(shù)a(λ)為海水的光譜吸收系數(shù)。
根據(jù)海洋光學(xué)中水體光學(xué)活性成分可知,海水總光譜吸收系數(shù)為純海水光譜吸收系數(shù)aw(λ)、黃色物質(zhì)光譜吸收系數(shù)ag(λ)、浮游植物光譜吸收系數(shù)aph(λ)和非藻類顆粒物光譜吸收系數(shù)ad(λ)之和,可表示為
a(λ)=aw(λ)+ag(λ)+aph(λ)+ad(λ),
(2)
其中系數(shù)aph(λ)與系數(shù)ad(λ)之和用顆粒物光譜吸收系數(shù)ap(λ)表示,即
ap(λ)=aph(λ)+ad(λ)。
(3)
綜上可知,海水介質(zhì)總光譜吸收系數(shù)公式可簡(jiǎn)化為如下公式[1]80:
a(λ)=aw(λ)+ag(λ)+ap(λ)。
(4)
1.2.1 海水光譜散射系數(shù)
散射是光在海水介質(zhì)中傳播的基本過(guò)程。當(dāng)光通過(guò)不均勻的海水介質(zhì)時(shí),會(huì)偏離原來(lái)的傳播方向,周圍的散射現(xiàn)象就是海水中的光散射。海水介質(zhì)密度發(fā)生變化可歸結(jié)為兩種情況:一是尺寸遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)的隨機(jī)小分子引起水體密度漲落,另一種是尺寸大于光波波長(zhǎng)的顆粒物的存在[2]。
海水的光譜散射系數(shù)定義為強(qiáng)度為I的單色準(zhǔn)直光束在海水中的傳輸,當(dāng)路徑為dx時(shí),海水介質(zhì)散射引起的光強(qiáng)損失為dI,滿足關(guān)系式[3]13
(5)
其中比例系數(shù)b(λ)為海水的光譜散射系數(shù)。
根據(jù)海水的光學(xué)組成,海水可分為三類:純海水、可溶性有機(jī)物(黃色物質(zhì))和顆粒物。由于黃色物質(zhì)對(duì)光的散射效應(yīng)很弱,即對(duì)光只有單一的吸收效應(yīng),故不考慮黃色物質(zhì)的散射效應(yīng)。海水總光譜散射系數(shù)b(λ)是純海水分子散射系數(shù)bw(λ)、浮游植物散射系數(shù)bph(λ)和非色素懸浮顆粒散射系數(shù)bd(λ)之和[3]21,即
b(λ)=bw(λ)+bph(λ)+bd(λ)。
(6)
因?yàn)楹K诓煌较蛏仙⑸涔鈴?qiáng)不相同,經(jīng)常利用體散射函數(shù)β(θ)來(lái)表示散射光的角分布,海水光譜散射系數(shù)b與體散射函數(shù)β(θ)的關(guān)系式[3]22為
(7)
1.2.2 水體前向散射系數(shù)
根據(jù)散射方向的不同,散射可以分為前向散射和后向散射,對(duì)應(yīng)的散射系數(shù)稱為前向散射系數(shù)和后向散射系數(shù)。前向散射是對(duì)應(yīng)散射角在[0,π/2]范圍內(nèi)的散射,前向散射系數(shù)bf(λ)是體散射函數(shù)β(θ)散射角對(duì)前向半球的積分,前向散射系數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式[4]150為
(8)
前向小角度范圍的散射研究意義重大,幾乎一半的散射光強(qiáng)度集中在幾度的范圍內(nèi),前向散射對(duì)于研究顆粒物的散射性質(zhì)以及水下光學(xué)成像也非常重要。
1.2.3 水體后向散射系數(shù)
后向散射系數(shù)是海水重要的固有光學(xué)參數(shù)之一。粒徑僅與水中各組成分的濃度有關(guān),由顆粒密度、粒徑和折射率決定。后向散射是對(duì)應(yīng)散射角在區(qū)間[π/2,π]范圍內(nèi)的散射,后向散射系數(shù)bb(λ)是體散射函數(shù)β(θ)散射角對(duì)后向半球的積分,后向散射系數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式[4]150為
(9)
水的后向散射系數(shù)是水色遙感的一個(gè)重要的基本光學(xué)參數(shù),從粒子的后向散射系數(shù)可以推斷出粒子的粒徑分布和組成。理論上,后向散射系數(shù)可以通過(guò)測(cè)量體散射函數(shù)積分得到,但大于178°的散射測(cè)量較為困難。通過(guò)理論及實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),特定角度的體散射函數(shù)與后向散射存在強(qiáng)相關(guān)性,因此只需要測(cè)量后向一個(gè)特定角度的體積散射就可獲取后向散射系數(shù),一般選擇120°附近的角度進(jìn)行測(cè)量。
1.2.4 水體后向散射率
后向散射率是指90°~180°光束以一定角度散射的輻射通量與入射輻射通量之比[5]66。通常,后向散射系數(shù)與體散射系數(shù)之比被定義為后向散射比率,它表示后向散射在整個(gè)散射中所占的百分比,是海洋粒子光學(xué)散射特性的一個(gè)重要參數(shù),數(shù)學(xué)表達(dá)式[5]67為
(10)
海水是一種非均勻介質(zhì)。當(dāng)單色光束入射到海水介質(zhì)上時(shí),由于介質(zhì)的吸收和散射,單色光強(qiáng)度隨著介質(zhì)深度的增加而逐漸減弱,很難區(qū)分吸收和散射對(duì)透射光強(qiáng)度的影響。因此,在實(shí)際工作中,通常將這兩個(gè)因素的影響一并考慮,透射光強(qiáng)[6]表示為
I(λ)=I0(λ)e-[a(λ)+b(λ)]l=I0(λ)e-c(λ)l,
(11)
其中:a(λ)為光譜吸收系數(shù);b(λ)為光譜散射系數(shù);c(λ)為光譜衰減系數(shù),海水光譜吸收系數(shù)和光譜散射系數(shù)之和等于海水光譜衰減系數(shù)。
海水的光譜衰減系數(shù)與其水體組成成分密切相關(guān),海水中散射顆粒物形狀很不規(guī)則,其尺度分布在一個(gè)很寬的范圍內(nèi),在寬波段范圍內(nèi)散射和吸收都很重要,實(shí)際海水中由于所含物質(zhì)成分和濃度不同,衰減過(guò)程差別很大,不同物質(zhì)和不同濃度成分,對(duì)光的大致衰減系數(shù)與波長(zhǎng)關(guān)系如下圖1所示[7]。曲線Ⅰ是純水的光譜衰減系數(shù),最小值位于藍(lán)光波段。曲線Ⅱ是可溶性有機(jī)物的光譜吸收系數(shù)(散射系數(shù)不考慮),在藍(lán)光至紫外波段,吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)變短而急劇增大。曲線Ⅲ和曲線Ⅳ是小粒子(主要為礦物質(zhì))和大粒子的光譜衰減系數(shù)。圖1中縱坐標(biāo)僅對(duì)曲線Ⅰ有效,其余三條曲線的絕對(duì)值依賴于各自濃度。
圖1 光的大致衰減系數(shù)與波長(zhǎng)關(guān)系
用體積散射函數(shù)描述散射光強(qiáng)度的空間分布,是表征水中某一散射體上散射光角度分布的一個(gè)重要的固有光學(xué)參數(shù)。海水體散射函數(shù)定義為單位輻照度的光以給定的散射角入射到無(wú)限小的散射體上時(shí)單位體積的輻射強(qiáng)度[8],表達(dá)式為
(12)
其中:dI(θ)為θ處的散射強(qiáng)度;E為入射光輻照度;dV為散射體積元。
2.1.1實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法
實(shí)驗(yàn)室采用分光光度法測(cè)量海水的吸收系數(shù)。分光光度法是基于朗伯-比爾定律測(cè)定海水溶液的吸收系數(shù)。目前純海水的吸收系數(shù)aw(λ)已有較為準(zhǔn)確的數(shù)值,黃色物質(zhì)的光譜吸收系數(shù)ag(λ)和顆粒物光譜吸收系數(shù)ad(λ)可通過(guò)分光光度法測(cè)量得到[9]2。在分光光度法測(cè)定海水介質(zhì)光譜吸收系數(shù)的過(guò)程中,涉及兩種物質(zhì)形態(tài)元素的測(cè)定:一是固體顆粒和非色素顆粒光譜吸收系數(shù)的測(cè)定;二是液體黃色物質(zhì)光譜吸收系數(shù)的測(cè)定。
1)固體顆粒和非色素顆粒光譜吸收系數(shù)的測(cè)定基于定量濾膜技術(shù)[10]164,即海水中的顆粒在濾紙上過(guò)濾富集,濾紙和濾紙上的顆粒光學(xué)厚度用分光光度計(jì)測(cè)量,再換算成光譜吸收系數(shù),得到懸浮顆粒的光譜吸收系數(shù)ap(λ)。在用定量濾波技術(shù)測(cè)量粒子光譜吸收系數(shù)時(shí),在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中應(yīng)引入路徑放大因子β,通過(guò)校正得到粒子的光譜吸收系數(shù)。用定量膜技術(shù)測(cè)量顆粒物光譜吸收系數(shù)的公式[9]6如下:
(13)
其中各項(xiàng)數(shù)值含義及單位如表1所示。
表1 顆粒物光譜吸收系數(shù)公式中各項(xiàng)數(shù)值含義及單位。
對(duì)于不同水體,路徑放大因子β不同,其表達(dá)式[9]6為
β={C1+C2[ODfp(λ)-ODnull(λ)] }-1,
(14)
其中C1和C2為路徑放大系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),其值可根據(jù)實(shí)際情況參考相關(guān)值。光路放大校正系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[9]6如表2所示。
表2 光程放大效應(yīng)校正因子計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)
2)黃色物質(zhì)光譜吸收系數(shù),可以直接應(yīng)用分光光度法進(jìn)行測(cè)量得到,計(jì)算公式[9]6如下:
(15)
其中各項(xiàng)數(shù)值含義及單位如表3所示。
表3 公式(15)中各項(xiàng)數(shù)值含義及單位
2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)量法
與分光光度法不同,現(xiàn)場(chǎng)儀器法測(cè)得的海水光譜吸收系數(shù)直接是懸浮顆粒物和黃色物質(zhì)光譜吸收系數(shù)之和。美國(guó)Wetlabs公司的AC系列和Hobilabs公司的A-sphere系列是具有代表性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置[11]。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法采用定長(zhǎng)石英反射管測(cè)量吸收系數(shù),光通過(guò)水體后損失的部分就是被水體吸收的部分。通過(guò)測(cè)量入射光和透射光,可以計(jì)算出水的光譜吸收系數(shù)。以AC-S( Spectral Absorption and Attenuation Meter)水下高光譜吸收衰減器為例,如圖3所示,它可以同時(shí)測(cè)量海水的總衰減系數(shù)和吸收系數(shù)。AC-S的光譜范圍為400 nm~760 nm,分辨率為4 nm,共84個(gè)波段[12]。對(duì)于光譜吸收系數(shù)的測(cè)量,流管為全反射石英管,平行光束通過(guò)流管后,前向散射光被流管反射回水樣。為了盡可能多地接收散射光,采用大面積漫反射接收器。儀器的數(shù)據(jù)處理包括溫度、鹽度和散射校正。利用CTD(Cable Thermal Detector)記錄的數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。溫度和鹽度的吸收系數(shù)可用如下公式[10]165進(jìn)行修正。
(16)
其中:φt是溫度修正系數(shù);φsa是鹽度校正系數(shù);Tr是校準(zhǔn)的純水參考溫度;T是測(cè)量的水溫;S是海水鹽度。
圖3 AC-9/AC-S水下高光譜吸收衰減儀
海水的光譜散射系數(shù)可用光譜散射系數(shù)儀測(cè)量。根據(jù)測(cè)量原理,可分為兩類:1)根據(jù)水體固有光學(xué)特性的閉合特性,以及被測(cè)水體的衰減系數(shù)和吸收系數(shù)計(jì)算水體的散射系數(shù);2)直接通過(guò)測(cè)量海洋水體的體散射函數(shù),根據(jù)光譜散射系數(shù)與體散射函數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,得到水體的光譜散射系數(shù)[13]。
2.2.1 基于水體固有光學(xué)特性測(cè)量光譜散射系數(shù)
以Wetlabs生產(chǎn)的AC-S水下高光譜吸收衰減儀為例,該儀器可用于測(cè)量海洋水體的光譜吸收系數(shù),還具有測(cè)量海洋水體光譜衰減系數(shù)的功能。該儀器的核心部件是AC-S儀器,主要由吸收流管、衰減流管、數(shù)據(jù)采集與控制裝置、光源和電子器件等組成。吸收流管用于測(cè)量海水的光譜吸收系數(shù),衰減流管用于測(cè)量海水的光譜衰減系數(shù)。鑒別方法為:衰減流管的空腔為塑料,其兩個(gè)護(hù)套有標(biāo)記,管上有“C”標(biāo)記,管的上下方向沒(méi)有差異,吸收管是一個(gè)線性石英管,兩個(gè)插座中的一個(gè)的頂部是平的,管道安裝在標(biāo)有“a”的一側(cè),通過(guò)吸收流管和衰減流管測(cè)量同一水體的光譜吸收系數(shù)和衰減系數(shù)??砂聪率接?jì)算光譜散射系數(shù):
b(λ)=c(λ)-a(λ)。
(17)
2.2.2 測(cè)量海洋水體體散射函數(shù)獲取光譜散射系數(shù)
基于海洋水體體散射函數(shù)獲取光譜散射系數(shù)常見(jiàn)的測(cè)量?jī)x器有Sequoia Scientific公司的LISST系列前向小角度散射儀、Wetlabs公司的ECO系列儀器、Hobilabs公司的 Hydro Scat系列后向散射系數(shù)測(cè)量?jī)x等。以美國(guó)Hobilabs公司生產(chǎn)的HS-6為例,該儀器分為六個(gè)獨(dú)立的通道,每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)波段測(cè)量水體后向散射系數(shù)。HS-6由深度傳感器、充電電源、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄器和控制記錄的外部開(kāi)關(guān)組成。
HS-6測(cè)量原理為通過(guò)測(cè)得出射光的能量和接收到的140°散射光的能量,再通過(guò)如下公式[4]151
(18)
計(jì)算求得140°角度的體散射函數(shù)β(θ,λ),其中:φβ為接收到的光通量;φo為發(fā)射窗口的光通量;gβ是增益率;W是權(quán)函數(shù),只與儀器的物理結(jié)構(gòu)及電路結(jié)構(gòu)有關(guān)。整個(gè)測(cè)量過(guò)程為通過(guò)測(cè)定的接收光量φβ、出射光量φo,可以得到β(θ,λ),再根據(jù)后向散射系數(shù)公式[4]150
(19)
計(jì)算得到后向散射系數(shù)bb(λ)。前向散射占總散射的90%以上,后向散射只占很小一部分,一般不到10%。
2.2.3 用散射相函數(shù)測(cè)量后向散射率
(20)
其中角散射截面α(θ)公式[5]66為
(21)
下面對(duì)公式(20)~公式(21)中涉及的變量λ,σs,S1,S2進(jìn)行說(shuō)明。
實(shí)際上,無(wú)偏振自然光的散射截面σs[15]為
(22)
而S1,S2可表示為下列無(wú)窮級(jí)數(shù)[15],其公式為
(23)
(24)
其中:an和bn稱為米氏散射系數(shù),它們是復(fù)折射率的函數(shù),可由下式來(lái)計(jì)算得到[15],
(25)
(26)
而上面兩式中ψn(z)和ζn(z)的數(shù)學(xué)表達(dá)式[15]分別為
(27)
(28)
計(jì)算海洋中懸浮粒子的后向散射率γb,可以利用Mie散射理論及其散射相函數(shù)公式[16-17]。由于散射相函數(shù)的分布關(guān)于入射光軸對(duì)稱,海洋中懸浮粒子的后向散射率的計(jì)算可簡(jiǎn)化為對(duì)散射相函數(shù)在90°~180°之間的積分比上散射相函數(shù)在散射角0°~180°之間的積分值,數(shù)學(xué)表達(dá)式[5]67如下:
(29)
測(cè)量海水光譜衰減系數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理主要是根據(jù)朗伯-比爾定律,測(cè)量單色光束經(jīng)過(guò)一段距離海水介質(zhì)后的透射能量,反演光譜衰減系數(shù),主要有實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)煞N[18]。其中實(shí)驗(yàn)室測(cè)量是指對(duì)現(xiàn)場(chǎng)提取的海水樣品或人工模擬海水樣品進(jìn)行測(cè)量,主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,光譜衰減系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用較為廣泛的儀器是光束透射率儀,具有代表性的儀器如上文提到的美國(guó)wetlabs 生產(chǎn)的AC-S水下高光譜吸收衰減儀。光譜衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x[19]的測(cè)量原理是通過(guò)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生平行光束,光強(qiáng)為I0,光束射入待測(cè)海水中,它通過(guò)固定長(zhǎng)度的水道傳播,通過(guò)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)接收未吸收和散射的光強(qiáng)I,最后通過(guò)處理I0和I得到海水的透射率和衰減系數(shù)。
中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院蘇紅雨團(tuán)隊(duì)[20]研制的光譜衰減系數(shù)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示,光學(xué)系統(tǒng)采用雙光路光電接收系統(tǒng),消除了光源光強(qiáng)不穩(wěn)定和液池窗口中存在石英板的影響,提高了測(cè)量精度。光源由一個(gè)15W的溴化鎢燈和幾個(gè)濾光片組成,以產(chǎn)生單色光。液池壁材為黑色塑料管,內(nèi)表面無(wú)鏡面,減少散射光的影響。光束接收系統(tǒng)由一個(gè)光束限制孔和一個(gè)聚焦透鏡組成,它可以減少進(jìn)入光電接收系統(tǒng)的前向散射光。
1.光源;2.光闌;3.準(zhǔn)直鏡;4.分束器;5.全反鏡;6.樣品液池; 7、7’.光闌;8、8’.會(huì)聚鏡;9、9’.微型光纖光譜儀;10.進(jìn)水口;11.出水口;12.標(biāo)準(zhǔn)溶液。圖4 光束透射率儀典型的光學(xué)系統(tǒng)
體散射函數(shù)的測(cè)量研究可分為前向小角散射測(cè)量技術(shù)、單角度或多角度后向散射函數(shù)測(cè)量技術(shù)、0°~ 180°大范圍多角度散射光信號(hào)的廣角體散射函數(shù)測(cè)量技術(shù)[21]。針對(duì)體散射函數(shù)測(cè)量的儀器和方法,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一些研究,中國(guó)科學(xué)院曹曦團(tuán)隊(duì)[22]建立了一套8個(gè)固定角度的水下散射函數(shù)測(cè)量?jī)x;武漢光電技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室戴潔團(tuán)隊(duì)[23]和華中科技大學(xué)王萬(wàn)研團(tuán)隊(duì)[24]則利用成像方法有效地測(cè)量了水中小粒子的三維體散射;清華大學(xué)廖然團(tuán)隊(duì)[25]也利用成像方法進(jìn)行了二維散射的有效測(cè)量,并實(shí)現(xiàn)了30°至40°偏振器散射范圍的測(cè)量。表4列出了測(cè)量體散射函數(shù)的一些測(cè)量技術(shù)的主要系統(tǒng)信息。
表4 測(cè)量體散射函數(shù)部分測(cè)量技術(shù)的主要系統(tǒng)信息
海洋光學(xué)中水體光學(xué)特性測(cè)量是海洋光學(xué)理論發(fā)展的基礎(chǔ),在海洋學(xué)中發(fā)展與光學(xué)相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)離不開(kāi)水體光學(xué)特性參數(shù)的測(cè)量。目前水體光學(xué)特性參數(shù)測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用于海洋光輻射傳輸理論及海洋水色遙感領(lǐng)域,設(shè)備儀器主要依賴進(jìn)口產(chǎn)品??蒲泄ぷ髡邞?yīng)研究開(kāi)發(fā)屬于我國(guó)自主的較為典型參數(shù)測(cè)量?jī)x器,避免今后在該領(lǐng)域出現(xiàn)被卡脖子的困境。海洋水體固有光學(xué)特性參數(shù)測(cè)量技術(shù)作為一種主動(dòng)測(cè)量方式,最基本的測(cè)量參數(shù)是光譜吸收系數(shù)和體散射函數(shù),本研究重點(diǎn)闡述了水體的四個(gè)主要固有光學(xué)性質(zhì):光譜吸收系數(shù)、光譜散射系數(shù)、光譜衰減系數(shù)和體積散射函數(shù)的定義及測(cè)量方法,以供相關(guān)科學(xué)研究者參考。