后向散射系数的测量与应用

1. 背景介绍

光照在水体传输过程中, 受到悬浮物、叶绿素和有色可溶性有机物(CDOM) 的吸收和散射的影响。吸收系数和散射系数是衡量水体各组分对光照的吸收和散射程度的物理量, 其大小只与水体中各组分的浓度有关, 是水体重要的固有光学特性。水体后向散射信息由颗粒群密度、粒径以及折射率决定，通过颗粒物后向散射系数即可推导颗粒群的粒度分布和构成等相关信息。此外，后向散射部分的光线穿透水面形成离水辐亮度, 是遥感传感器获取水体信息的来源和物理基础, 是生物光学模型的重要输入参数。因此其研究对水质反演和监测以及水体保护和管理具有重要意义.

2. 测量方法

获取水体后向散射系数的方法主要有3 种:

1.基于物理模型的方法（缺点：水体颗粒物分布不均，表面不规则）

     散射理论——散射系数——后向散射系数

2.基于辐射传输理论的模拟方法（水域限制）

结合辐射传输理论和水体的生物光学特性，进行固有光学特性反演

3.直接测量法(HS-6P , AC-9 , BB9)

直接得到水体的后向散射系数，应用广泛

3. 产品原理

HS-6P拥有6个独立的通道，每个通道都对不同宽度范围的光学波段具有敏感性。仪器光源在水中发射光束，接收探头则接收光束在水中产生的散射光。

每个通道的源光束来自于LED，通过一系列选择来得到所需的测量波长。光束从LED发射出来以后通过一个透镜来调整其发散，然后在入水前通过一个棱镜来弯曲光束。接收探头包含一个相同的棱镜来弯曲朝向光源的视场，一个带通滤波器确定了确切的测量波长范围，然后是一个透镜将接收到的光聚焦到一个硅探测器上。

源光束的发散、棱镜的角度以及光源窗口和接收探头窗口之间的距离确定了测量时散射角度的范围。HS-6P的几何设计致使测量时的中心散射角度为140度。

HS-6P有两个部分的通道，它们的光束和视场相交。比如442nm和700nm通道，700nm的接收探头能同时接收700nm光源产生的后向散射以及442nm LED光源激发的700nm荧光。这是因为在某个特定的时间内，每个接收探头都会被调整到一个单一的频率（对应于一个单一的激发源）。

4. 产品特点

HS 6P为自容式设计, 具有体积小、使用方便等特点。波段配置分别为412, 488, 532, 589, 676, 852 nm 。其测量原理是通过测量 140°角处的体散射函数来计算得到后向散射系数的。

为什么角度为140 °？

Maffione 和Dana发现各种颗粒物在140°散射角时的散射相函数与后向散射系数的线性

关系比在120°更好，关系常数V ( H) 为1. 08，并据此制造出 HydroScat系列后向散射系数测量仪。

仪器优势:

1、自带可充电电池，内置内存，可做自容式测量。也可通过外置电池或交流电供电

2、可做sigma校正，用来校准因信号衰减产生的测量误差

3、5段增益自适应，根据测量环境自行调节光学信号大小，使仪器适应不同浊度水体

4、可自行实验室定标

5、可同时测量后向散射和荧光。

5. 产品应用

1）水体悬浮颗粒物含量反演

悬浮颗粒物作为海水的主要组成成分对海水的光学特性有着重要作用,因此学者们针对不同粒径、不同折射率的悬浮颗粒物的后向散射特性进行了模拟,建立水体中颗粒物后向散射系数的光谱模型，通过该模型即可反演水体的悬浮颗粒物分布情况.

Stramski和Kiefer通过对均匀球形颗粒物后向散射特性模拟研究发现，粒径小且折射率高的颗粒物对后向散射的贡献相对较大；此外，Stramski对水体总悬浮颗粒物的后向散射特性进行了理论模拟，结果发现矿物颗粒物的平均后向散射系数值是有机颗粒物的30倍之多。可见，悬浮泥沙等无机颗粒物是水体后向散射的主要来源.2.水体后向散射比率研究

我国学者周雯等在对海水中矿物颗粒物的后向散射特性模拟研究中得到了相似的结论，并认为颗粒群中小于1um的粒子是主要的后向散射源；且水体后向散射特征随颗粒群构成的不同而改变.

2）水体后向散射比率研究

后向散射比率估算的颗粒散射相函数是水体辐射传输方程的关键输入参量之一；另外，后向散射比率的变化还包含了水体颗粒的组分及粒级信息。

李铜基等通过对黄东海实验研究得出黄东海海区总悬浮颗粒物后向散射比率介于0.01~0.05 之间，对波长的依赖性很小；

周雯等通过对大亚湾水体后向散射比率研究得出：后向散射比率在600nm的变化范围在0.0040~0.0245之间，且实测的后向散射比率光谱波段间相对变化约为15%；

中科院南京地理与湖泊研究所和国家海洋局第二海洋研究所通过使用 HS-6 的野外测量数据来获得太湖水体的颗粒物后向散射概率，结果表明太湖水体的颗粒物后向散射概率不是一个定值。

1）浮游植物的后向散射特性

对于以浮游植物为后向散射主体的富营养水体和赤潮水体,浮游植物的粒径大小、细胞色素组分及浓度等都会显著影响其后向散射特性.

近年来国内外近岸赤潮频发，赤潮藻类丰富多样，而且水体后向散射与水体组分又具有密切联系，因此探寻浮游藻类的后向散射特性可为赤潮藻种的遥感识别及两类水体水色算法精度提高提供依据。

Whitmire等利用HS-6和AC 9对3个藻属类别的15种藻类的后向散射光谱和吸收光谱进行测量，发现每种藻类具有独特的后向散射光谱.这为探寻富营养水体和赤潮水体的后向散射特性提供了理论依据，并为日后赤潮水体的遥感反演和藻种识别奠定了良好的理论基础。

2）叶绿素浓度反演

在开阔大洋的水体中，叶绿素ａ是海洋中重要的水色组分之一，而后向散射系数与水色组分有着密切联系，因此许多学者开始研究颗粒物后向散射系数和叶绿素浓度之间的关系，试图通过叶绿素浓度建立后向散射系数的遥感反演算法。

Huot和Morel对南太平洋的东部8000km长海域进行跟踪监测和研究，并采用HS-6对大洋的后向散射系数测量发现，一类水体中颗粒物的后向散射系数和叶绿素浓度之间存在一定的相关性。

Stramska等在对北极太平洋的研究中发现，后向散射比率随叶绿素浓度的增加而增大，并认为两者之间的关系随着季节变化而不断变化。