1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 合肥学院, 安徽 合肥 230601
3 安徽大学 物质科学与信息技术研究院 安徽省信息材料与智能感知实验室, 安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
静态散射光蕴含颗粒尺寸的特征信息, 因此静态光散射法是快速测量水体悬浮物粒度的有效手段。然而由于颗粒侧向和后向散射光微弱, 不易探测; 前向散射受艾里斑影响, 存在测量盲区, 导致静态光散射法的小颗粒粒度测量精度不足。提出水体小粒径悬浮物粒度低位异面扫描光散射测量方法, 以光电倍增管为探测器, 采用多角度连续扫描方式探测颗粒的光散射信息: 通过缩短探测器到样品池距离, 提高相同角分辨率下的散射光强度, 提升侧向和后向散射光探测灵敏度; 将探测器偏离激发光轴, 避开艾里斑盲区, 在不改变前角小角度测量精度条件下, 实现前向大角度散射光探测。在此基础上, 结合米散射模型, 实现小粒径悬浮物粒度测量。不同粒度样品实验表明, 方法能准确测量350nm至2μm范围内颗粒的粒度, 2μm、1.5μm、500nm和350nm标物D50的测量相对误差均不超过5.61%, 均低于标物不确定度的相对误差, 且优于实验室内激光粒度仪的测量结果。
光学测量 小粒径 悬浮颗粒物 粒度测量 静态光 低位异面测量 optical measurement small particle size suspended particulate matter particle size measurement static light low position out-of-plane measurement
1 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 陕西理工大学物理与电信工程学院, 陕西 汉中 723001
激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响, 而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的, 但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的, 因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。 该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、 悬浮泥沙、 碎屑、 悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象, 充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况, 构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。 数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数, 分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、 吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响, 同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。 数值结果表明, 当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时, 平均散射系数越大, 而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时, 平均吸收系数增大, 由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中, 悬浮泥沙对光散射作用影响最大, 悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。 随着悬浮颗粒物浓度的增大, 混合粒子的单次反照率保持不变, 由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。 海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大, 散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大, 悬浮颗粒物的前向散射较强。 该工作对蓝绿激光在海水中传输、 信道建模, 水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。
蓝绿激光 混合悬浮颗粒物 统计平均光散射参量 散射相函数 Blue-green laser Mixed suspended particles Statistical average light scattering parameters Scattering phase function 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1749
1 河海大学自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室, 江苏 南京 210098
2 河海大学海洋学院, 江苏 南京 210098
3 江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212100
基于2018年5月27日—31日长江口邻近海域的海洋科学综合调查,利用船载走航式表观光谱观测系统进行了定点及连续光谱测量,结合快速多参数水质仪和声学多普勒流速剖面仪同步观测结果,研究了悬浮颗粒物(SPM)的高频变化特征及其影响因素。研究结果表明,长江口邻近海域SPM浓度存在高频变化特征,且受潮汐作用影响显著。在退潮周期内,其浓度在定点站位内有明显的先上升后下降过程,且浓度高值与高流速相对应。断面走航观测显示,SPM在短时间内变化特征存在明显的空间差异。在水深较浅的区域中局地再悬浮过程的作用明显,且SPM浓度与流速之间有着良好的对应关系,而在水深较深、离岸较远的区域中SPM浓度的变化则可能与长江冲淡水过程相关。
海洋光学 悬浮颗粒物 走航光谱测量 高频变化
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 合肥学院生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601
3 合肥学院先进制造工程学院，安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
静态光散射法能够实现水体悬浮颗粒物粒度分布的快速检测，但测量精度易受背景干扰。传统的样品散射光减背景光方法无法有效消除背景干扰。提出了基于散射光基线的背景干扰消除方法，在样品散射光减去背景干扰的基础上，拟合出散射光强分布基线，进一步消除背景的干扰。120 μm及9.86 μm标准粒径样品的测量结果表明，相较于传统方法，120 μm样品的D10、D50以及D90的测量相对误差分别由56.9%、17.2%、8.1%下降到0.4%、0.8%、2.8%；9.86 μm样品的D10、D50以及D90的测量相对误差分别由17.2%、10.0%、0.1%变到11.6%、3.4%、0.1%。表明基线法能够大幅提升背景干扰的去除效果，提高颗粒物粒度测量的准确性。
测量 背景干扰 悬浮颗粒物 粒度测量 CMOS探测器
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学海洋科学学院, 江苏 南京 210044
3 福建省气象灾害防御技术中心, 福建 福州 350001
4 福建省灾害天气重点实验室, 福建 福州 350001
长江口青草沙水库是重要的饮用水源,其水质评估非常关键。为客观、科学地评估青草沙水库的水质状况,以水体悬浮物作为评估水质的一个关键参数,利用Landsat-8 OLI高空间分辨率数据开展了相关研究。采用与现场观测匹配的卫星资料,建立了青草沙水库悬浮颗粒物(SPM)的反演算法,利用现场观测资料进行精度验证,结果显示相关系数较高,均方根误差较小,由此表明该算法的反演精度较高,结果可信。利用建立的算法,对Landsat-8 OLI数据进行处理得到2013—2019年的SPM平均空间分布和时间分布特征。结果发现:河口范围内青草沙水库SPM浓度最低;水库上部SPM浓度随季节变化较大,在冬季最大,春季最小;水库中部与下部SPM浓度较低且变化很小。研究结果表明,长江口青草沙水库水体清澈,水质较好。
海洋光学 长江口 青草沙水库 悬浮颗粒物 Landsat-8 OLI 遥感反演 激光与光电子学进展
2021, 58(22): 2201001
红外与激光工程
2021, 50(6): 20211029
华东师范大学河口海岸国家重点实验室，上海 200062
为了得到更加稳健的水体悬浮颗粒物(Suspended Particular Matters, SPM)的反演模型，减少建模数据误差对算法精度的影响，将单波段和对应波段比值的六种经验模型和半经验、半分析模型分别应用于长江口高浊度水域不同航次不同测量仪器测得的实测数据集中，分析了波段比值参数对于提高SPM反演模型稳健性和稳定性的作用。结果表明，采用波段比值参数的模型的精度都远高于相应的单波段模型。在2014年5月和2014年12月航次的数据集中，有的单波段模型失效，总体的最高精度不超过0.5。而相对应的波段比值的建模精度都在0.8左右。另外，将各模型应用于Landsat 8卫星的OLI传感器的遥感数据时，同样，波段比值模型的反演精度高于单波段模型。结果证明，在高浊度的水体中反演SPM浓度时，波段比值遥感参数的应用可以加强反演模型的稳健性。
悬浮颗粒物 反演模型 波段比值 河口 suspended particular matter inversion model band ratio estuary
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆400044
2 Faculty of Optics Engineering, Le Quy Don Technical University, Hanoi, Vietnam
3 重庆理工大学光电信息学院, 重庆400054
水体中悬浮颗粒物的光散射特性是影响基于直接光谱法水质检测结果准确性的一个重要参数。 依据T矩阵模型, 研究了紫外-可见光照射下水体中非球形悬浮颗粒物的光散射强度特性。 以藻类和泥沙类颗粒物为例, 构造了椭球、 圆柱和广义Chebyshev三种非球形粒子光散射模型, 分析了入射光波长、 悬浮颗粒物形状、 复折射率与相对散射光强之间的关系, 计算了不同悬浮颗粒物相对散射光强随波长、 颗粒物尺寸以及旋转角变化的情况。 数值仿真结果表明, 不同种类非球形悬浮颗粒物的散射光强度均呈现出显著的变化。 在200～800 nm波长范围内, 随入射波长的增大, 粒子几何尺寸所带来影响逐渐减小, 散射特性主要由复折射率决定。 当粒子尺寸小于0.2 μm或接近1 μm时, 在入射光波长位于紫外或红外的条件下, 散射光强度较大且呈现强烈振荡; 而当粒子尺寸r=0.3~0.9 μm, 散射强度较稳定, 接近于0且受到入射光波长的干扰较小。 这可为提高紫外-可见吸收光谱法的检测精度、 抑制散射干扰提供一定依据。
非球形悬浮颗粒物 T矩阵模型 光散射强度 水质检测 Non spherical suspended particles T matrix model Light scattering intensity Water quality measurement 光谱学与光谱分析
2015, 35(10): 2691
1 南京信息工程大学地理与遥感学院, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学海洋科学学院, 江苏 南京 210044
悬浮颗粒物粒径是重要的海洋光学参数，在以悬浮颗粒物为主的黄渤海海域，对水体生物、化学过程等起着重要的作用，该参数的卫星遥感反演也对海洋光学与水色遥感研究具有重要意义。利用2014年5月和11月的黄渤海47组实测数据，建立了基于静止海洋水色卫星(GOCI)波段设置的遥感反射率(Rrs)与悬浮颗粒物中值粒径(D50)反演模型，555 nm 波段幂函数的反演效果最佳，决定系数R2为0.72, 绝对误差SMAPE 为6.35%，经实测数据检验，均方根误差SRMSE约为0.17，相对误差变化范围为-5%~5%。对反演模型引入5%误差进行敏感性检验，绝对误差、均方根误差分别控制在2%以及0.002以内，具有较好的稳定性。将此模型运用于2013年6月GOCI卫星数据，反演出悬浮颗粒物中值粒径D50的时空分布图，呈现从近岸向远海粒径逐渐变大的趋势。
遥感 悬浮颗粒物粒径 反演算法 GOCI卫星 海洋光学
重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
降低或减少水体中悬浮颗粒物的光散射影响是直接光谱法检测水质化学需氧量(COD)的关键技术问题。为此，依据米氏散射理论，采用改进型连分式结合后向递推算法，研究了紫外-可见光照射下水体中藻类和泥沙类悬浮颗粒物的光散射特性。通过构造球形粒子的光散射模型，在入射光波波长为200~1000 nm、悬浮颗粒物尺寸为1~200 μm 的条件下，分析和计算了散射光强度和角度的变化规律。仿真结果表明：当改变粒子尺寸，调节入射光波长时，两种悬浮颗粒物的散射光强与散射角度呈现显著变化，这为进一步提高基于紫外-可见吸收光谱法的水质检测精度和降低散射影响提供了依据。
光谱学 紫外-可见光谱 悬浮颗粒物 米氏理论 光散射强度 激光与光电子学进展
2015, 52(1): 013001
