精确的现场水体光谱特性测量与分析是水色遥感领域亟待解决的重要基础问题。 传统的剖面法、 水面之上法等水体光谱现场测量方法无法直接测得离水辐亮度(Lw), 后处理过程比较复杂, 不确定性较大。 天空光遮挡法(SBA)实现了对水体离水辐亮度的直接测量后处理流程相对简单, 能较好地避免传统现场光谱测量方法的许多不确定因素。 但目前为止, 国际上还没有成熟的基于SBA方法的水体光谱测量系统, 因此基于SBA方法开展新型水体光谱测量系统研制与测试具有重要的理论与现实意义。 作者在系统分析SBA水体光谱现场获取原理的基础上, 介绍了首套基于SBA方法的漂浮式水体光谱测量系统的研发情况, 详细阐述了其硬件结构设计及系统单元设置情况。 通过2017年9月20日珠江口(113°32′38″E, 22°25′43″N)的系统现场测试分析验证了该系统分钟级高频次连续水体光谱采集能力。 该系统实现了连续直接观测得到离水辐亮度和入射辐照度进而计算得到遥感反射率(Rrs)的功能, 其变异系数均小于5%, 将系统观测结果与Maya2000 Pro同步观测获得的遥感反射率对比, 表现出良好的一致性, 证明了该系统采用SBA方法进行水体遥感反射率测量的有效性。 连续观测实验证明了该系统水体遥感反射率测量的稳定性以及快速跟踪水体光学特征变化的能力。 论文指出了基于SBA漂浮式水体光谱测量系统发展起来的漂浮式光学浮标(FOBY)在自阴影评估与校正、 数据质量控制、 数据高频获取、 浮标姿态记录、 多要素联合观测、 长时序大范围组网等方面存在的问题及未来发展前景。 综上所述, 基于SBA方法研发的漂浮式水体光谱测量系统能实现水体光谱的高频观测, 以及水体光学特性的快速变化动态跟踪, 有助于提高现场测量与卫星遥感数据的匹配效率; 基于该系统, 在建立传感器观测网的基础上可以获取水体光谱大数据集, 有利于大幅提高各种卫星数据水色遥感应用潜力。

浮游植物粒级通常采用采集水样的分级叶绿素法来测定, 比较费时且难以实现剖面连续测量。本文提出了一种基于测定海水光吸收来反演浮游植物粒级结构的原位测量系统。该测量系统硬件主要由高稳定光源、光学窗口、样品管、光纤高精度微型光谱仪、数据采集系统等组成。测量数据基于遗传算法来分析浮游植物粒级结构。海上初步试验结果表明, 该仪器能够测定水下300 m之内的浮游植物粒级结构, 实现1 m剖面分辨率的连续测量, 尤其适用于分析50~80 m深度叶绿素最大值层的浮游植物粒级结构变化, 在未来海洋浮游植物粒级结构测定中有良好的应用前景。

基于SIA顺序注射法以及分光光度原理研制了海水硝酸盐/亚硝酸盐原位快速测量仪。 对最佳不完全显色反应时间以及硝酸盐镉铜柱还原速度进行了实验优化筛选, 采用液芯波导替代比色皿作为样品池, 在实现原位快速测量(测量时间可短至4　min)的同时也大大减少了样品量, 缩小了仪器体积、 重量, 降低了仪器功耗, 提高其灵敏度(nmol·L-1), 使其更适于原位测量。 仪器具有良好的通用性和可扩展性, 稍作调整, 即可用于不同海域各种营养要素的剖面及定点测量。

海水中的有色溶解有机物(CDOM)对海洋生态系统具有重要影响。 针对当前CDOM测量的问题, 基于Teflon AF 液芯波导(LWCC/LCW)技术, 设计了一套全自动CDOM走航式测量仪。 该仪器具有光程可调、 测量动态范围广、 灵敏度高等特点, 适合于各类水体。 其过滤和进样系统, 实现了水样的自动过滤、 进样和样品池清洗。 基于LabVIEW语言开发的软件控制平台, 可高效地控制仪器的运行状态和数据(光谱数据、 GPS数据及海水温盐数据)的采集。 通过对照实验和现场海上测试, 证实了测量数据的可靠性和仪器的稳定性。

室内测量了十六种浮游植物的吸收-衰减光谱, 及其粒径分布和叶绿素a浓度。 研究结果表明, 粒径和单位细胞叶绿素浓度是影响浮游植物吸收和衰减系数量值的两个重要因素; 粒径是决定衰减光谱形状的重要因子之一, 粒径与衰减光谱斜率之间存在非单调的变化关系; 粒径不是影响浮游植物吸收光谱的蓝-红波段比和光谱斜率的决定性因子, 但是, 藻细胞密度与粒径平方的乘积是决定吸收光谱斜率的关键量。 适用于均匀球体颗粒的Mie散射理论能对粒径与浮游植物吸收光谱和衰减光谱间的相关关系进行阐释, 该文研究的藻类其非均匀球体结构并没有从根本上改变粒径与吸收—衰减光谱间存在的内在规律。

由于Teflon AF具有气体渗透性结构、 疏水性、 化学惰性、 比水低的折射率等特点， 因此Teflon AF液芯波导在吸收、 荧光、 拉曼光谱分析、 气体传感器等诸多领域得到了广泛的应用。 本文将剖析Teflon AF液芯波导的特性， 分析Teflon AF液芯波导的应用研究进展， 展望Teflon AF液芯波导的应用研究前景。

针对有色溶解有机物(CDOM)和颗粒物在短波波段的强吸收特性对海冰内部及下层海水生物的区大影响，研究了辽东湾海冰内部CDOM和颗粒物的吸收特性。海冰内部CDOM的吸收为下层海水CDOM吸收的1/5~1/2，海冰内部CDOM吸收的最大值一般出现于海冰的表层和底层。由于大气的沉降作用，海冰内部颗粒物吸收的最大值出现于海冰表层。辽东湾海冰CDOM斜率范围为0.0122～0.0231 nm-1，下层海水CDOM斜率范围为0.0174～0.0190 nm-1。海冰生长速率和下层海水CDOM决定着海冰CDOM斜率剖面分布。较高的海冰内部CDOM和颗粒物浓度导致衰减系数的谷值向长波方向移动。

海冰是地球气候系统中的关键要素之一， 为此设计了用于测量海冰光学特性的海冰高光谱辐射测量系统， 可实现3个通道的同时测量， 设计了2种类型的光学探头， 解决了探头水密性的问题， 搭配“L”型支架实现冰下辐射的现场测量。 设计了双向反射率支架， 搭配角度传感器可实现探头于任一角度位置对海冰双向反射率的测量。 系统积分时间智能设定， 实现了积分时间设定的最优化和自动化。 解决了低温工作的难题。 另外系统还集成了4个温度探头和1个全球定位系统GPS。 通过在辽东湾附近海域对海冰的现场实验， 验证了系统的可靠性及准确性。

海洋光学浮标在水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验、海洋科学观测、近海海洋环境监测等方面有重要应用价值。采用子母浮标技术设计了海洋光学浮标系统,该系统可同步测量海面和海水近表层及真光层的光谱辐照度和光谱辐亮度分布、水体光谱吸收/散射系数,以及风速风向等辅助参数。浮标利用GPS定位,采用低功耗的PC104嵌入式电脑作为控制核心实现数据的自动采集,采用CDMA/GPRS无线网络与海事卫星两种方式实现数据和指令的实时传输。近海试验表明,设计的子母浮标能较好地满足水下光辐射测量对浮标姿态和稳性的要求,系统的数据采集和远程传输技术可靠,光学仪器防污染技术能确保光学浮标长期有效地工作。

研制了海洋水色高光谱辐射实时观测系统。该系统主要包括用于现场测量海面与海水近表层上行辐亮度和下行辐照度的高光谱光纤辐射计, 装载高光谱光纤辐射计及其它辅助设施的海上观测平台, 数据采集、实时通讯的控制系统。采用6通道光纤光谱仪解决了多参数测量同步性问题, 通过自动调整光谱仪CCD积分时间提高其测量的动态范围; 采用光纤光谱仪减小了光接收器的体积, 减小了自阴影效应的影响; 采用防污染装置解决了光学探头水下防污染问题。对系统的性能进行了室内测试及近海36 d试验。结果表明,光学系统零漂误差小于±5%, 光学系统稳定可靠; 浮标性能可很好地满足水下光辐射测量对浮标体姿态和稳定性的要求; 控制系统的数据采集和通讯可靠有效。