水体偏振特性的室内实验研究（周红敏,柏延臣,王锦地）

时间：2021-01-14 08:09:45　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：在偏振特性理论分析和经验总结的基础上，对水面上偏振测量试验的设计和测量方法提出了新的思路，并对已知质量浓度铜绿微囊藻溶液和泥沙悬浊液进行测量，以获得水中叶绿素、沉淀物质量浓度和观测方位变化对偏振离水辐射信息的影响机制．发现叶绿素质量浓度变化对偏振特性的影响并不是非常显著，而当沉淀物质量浓度不断上升时，偏振离水辐射信号不断增强且变化幅度愈大；
离水辐射信号对观测方位具有较强的敏感性．

关键词：偏振；
水面上测量法；
敏感性；
水质遥感

对水体遥感测量来说，剖面法只适合水深大于10米的水体，且仪器昂贵，布放、操作复杂，对于一般的江河、湖泊以及近海等二类水体来说，只能采用水面上法测量．在水面上法测量过程中，水面镜面反射、天空光的辐射以及波浪和太阳耀斑都是影响测量精度和数据有效性的重要因素[1-3]．为尽量减少噪声，提高测量精度，NASA、国际水色SIMBIOS组织等对水面上测量几何和测量方法进行了深入的研究，并给出了相对合理的测量方法和数据处理方案，为避免太阳直射和天空光场的影响提供了解决思路，得到广泛应用[4-5]．

但是在研究中，人们发现水面上测量法还存在着许多问题，主要是：1)为了避免水体表面太阳直射反射的影响，一般利用合理观测几何和多次测量，剔除异常数据保证测量有效性，但是这其中又有两个问题．首先不论采用什么观测几何，都不能完全避免直射光的影响；
其次这种测量得到的有效数据仅占全部数据的5%左右，测量工作量非常大．2)在对水下进行探测时，对水底特征分辨能力不强，水底识别能力较差[2，6-8]．

为了弥补传统水体测量的这些缺陷，人们开始探索采用新的方法进行水质研究，利用光的偏振特性就是方法之一．偏振测量能在很大程度上解决上述水体测量中的问题．与非偏振测量相比，偏振测量能得到更多易于区分目标的特征信息，如区分金属和非金属、动物活体和死体等[6]，特别是对反射辐射强度对比度低的表面，利用偏振信号也能有效地识别[8-9]。而对于水面镜面反射的去除方面，在进行偏振测量时，根据布儒斯特定律，当观测天顶角为布儒斯特角时，传感器接收到的水平偏振分量中不含水面反射信息．

自1954年Talbot H．Waterman [10]进行水底偏振测量以来，人们对水面反射和水底辐射进行了许多测量和研究，但是到目前为止研究的进展非常缓慢，还没有总结得出一套像常规水色遥感测量那样相对比较成熟和广泛的测量方案，而真正将偏振信息用于水质参数提取的研究尤其不多见．本文在总结前人工作的基础上，研究设计了水面上室内水体偏振测量方案，测量分析水体中叶绿素浓度和沉淀物浓度变化以及观测方位变化对离水偏振信息的影响，并试图通过测量、分析，得出一套适合水体偏振的测量方法，找到水质不同污染物在不同浓度下对水体偏振特性的敏感性，挖掘水质偏振遥感的发展潜力，为水质偏振遥感反演模型的建立做探索性的研究．

1 实验原理

根据布儒斯特定律，如图1所示，当光线以布儒斯特角入射到水面时，将在气水界面发生全反射，反射光全部为垂直分量偏振光，水平分量为零[11]．根据光路可逆原理，当在布儒斯特天顶角进行观测时，传感器接收到水平偏振辐射信号中，只含有携带水体信息的离水辐射信号而没有水面的镜面反射．本实验中，水体折射系数为1．33，布儒斯特角为53°，并在整个实验过程中始终采用53°观测天顶角进行水平偏振分量的测量。

2 基本方法

2．1 测量装置和环境

室内实验是在用黑色纱布围成的黑环境中进行，光谱检测环境辐射值很小，可以忽略环境辐射对结果的影响；
人工光源是美国Lowel公司生产的Pro-light JCV14．5，规格为14．5 V、50 W、3 200 K，出射光为平行光，在350—900 nm之间，偏振度约为5%；
波长在900 nm 以后，偏振度接近于零．FSP350-2500P光谱仪由美国Analytical SpectralDevices公司生产，光谱仪经过辐射定标，误差在2%以内．实验容器采用直径为40 cm，高15 cm的圆柱体容器，以保证光束能直接进人水中而无阴影；
容器内壁用黑色的磨砂纸铺平，以保证容器壁本身的朗伯性．同时在容器壁上均匀的喷上一层丙烯酸黑漆以保证容器为黑体而避免容器壁对光的反射．实验中使用到的三角架等其他设备也为黑色，实验操作人员着黑色衣服．这样基本避免了环境辐射和试验仪器、操作人员对观测干扰，保证进人传感器的主要为水体离水辐射信息，确保实验的科学性和数据的有效性．

2．2 样本制作

实验中所使用的铜绿微囊藻溶液由清华大学环境科学与工程系培养完成后在其稳定期测量．实验研究表明，藻溶液的稳定期能持续2 h，因此可以保证测量在藻溶液的稳定期完成．叶绿素浓度根据铜绿微囊藻的密度回归得到[11]．泥沙样本选自南方红土，用0．154 mm的土壤筛筛过后烘干至恒重，制成干燥泥沙样品，并在天平上称质量，用纯净水配成泥沙悬浊液，用泥沙质量浓度来表示水体中沉淀物质量浓度，测量时用玻璃棒搅拌均匀并停滞10 S待水面平静后测量，保证样本在同样的状态下进行测量．

2．3 测量过程

测量时光源和光谱仪的探头都固定在三角架上，光源人射天顶角为45°，方位角0°，光源距水面1 m；
光谱仪探头距水面1．5 m，探头前添加3°视场镜，保证观测到的信息完全来自水面，并在视场镜前安装偏振片套件．测量时，旋转偏振片以得到不同偏振方向的偏振离水辐射信息．传感器观测天顶角始终保持53°，在地面建立0～360°方位坐标，测量时移动三角架在相对方位角θ为30°、45°、60°、75°、90°、110°、130°、135°、150°和170°进行测量，每次测量的数据在光谱仪内为10次的平均，每组测量5次，剔除异常数据后再取平均作为最后的测量结果．在本实验中，由于灰板的偏振特性未经严格标定，因此在本实验相关分析中没有采用偏振遥感反射率，而主要对水平偏振离水辐亮度进行分析．

测量时的几何关系示意如图2所示．其中光源为人工光源，人射天顶角为45°，仪器观测天顶角θν为53°，ρν为相对观测方位角．

3 结果分析

3．1 偏振离水辐亮度对观测方位的敏感性

3．1．1 藻溶液偏振离水辐亮度对观测方位的敏感性

图3是在不同叶绿素质量浓度(P叶绿紊)下，水平偏振离水辐亮度随观测方位的敏感性示意．

分析铜绿微囊藻溶液偏振离水辐亮度随观测方位变化可见：

1)在后向观测方向(30°和40°观测方位角)，藻溶液后向散射偏振较强，水体的偏振离水辐射较高．

2)当P叶绿素为31，42和59 μg·L -1时(图3-a～c)，在90°观测方位角测量得到的偏振离水辐亮度值较小；
而当P叶绿素=108 μg·L (图3-d)时(一般来说，此时水体已出现严重富营养化现象[1])，后向观测值显著大于前向观测值．

3)在后向观测方向，当P叶绿素为31和42 μg·L -1时，在观测方位30°～45°范围，离水辐亮度值较稳定；
在前向观测方向，观测方位在130°～180°范围内，辐亮度变化斜率较小．可以认为在室内水体(平静水面)中，由于滤除了水面镜面反射的影响，在水面上水体偏振测量中，采用30°～45°和130°以上的观测方位角时，测量结果相对稳定，在具体试验中可以采纳此观测方位．

3．1．2 泥沙悬浊液偏振离水辐亮度对观测方位的敏感性

图4是在不同沉淀物质量浓度(P沉淀物)时，偏振离水辐射随观测方位的变化情况．

根据测量结果可以发现：

1)除P沉淀物=1 g·L -1的泥沙悬浊液，后向观测方向(观测方位角小于90°时)的离水辐射强度大于前向观测方向的辐射强度，这和泥沙颗粒的后向散射较强有关．

2)在后向观测方向，当P沉淀物较小时(图4-a~c)，在30°～45°观测方位范围，离水辐射值对方位变化不太敏感；
在前向观测方向，观测方位在110°～130°范围内，辐射强度波动较小，认为在实验中可采用此观测几何以避免观测方位微小变动引起测量值的大幅波动．

3．2 水平偏振离水辐亮度对溶液浓度的敏感性

3．2．1 藻溶液离水辐亮度对溶液浓度的敏感性

图5是在不同观测方位时P叶绿素变化对偏振离水辐射强度的影响．

从试验结果中可以发现：在后向观测方向(图5-a～c)，水体振离水辐亮度对P叶绿素变化不太敏感；
在前向观测方向(图5-d～f)，当P叶绿素为42 μg·L -1时，偏振离水辐亮度有较明显的峰值，在其他浓度时变化则不太显著．由于样本溶液P叶绿素较大(开阔大洋的P叶绿素一般在0．01~10 μg·L -1之间)，偏振离水辐亮度对浓度的弱敏感性是否是由于叶绿素的大浓度导致的还有待进一步研究．

3．2．2 泥沙悬浊液离水辐亮度对溶液浓度的敏感性

图6是在不同观测方位时P沉淀物变化对偏振离水辐亮度的影响．

分析在不同观测方位上P沉淀物变化对偏振离水辐亮度的影响可见：

1)在本实验的测量方位和波段上，水平偏振离水辐亮度随着P沉淀物的增加而增强，且质量浓度越大变化幅度越大．从理论上分析主要是颗粒后向散射较强，由散射所引起的偏振效应也较强．

2)当P沉淀物小于5 g·L -1时，离水辐亮度对浓度不敏感，而当浓度达到10 g·L -1时，变化非常显著，究其原因，除1)所提到的泥沙悬浊液后向散射较强外，另一个原因是当水中泥沙质量浓度达到一定程度时，悬浊液开始更多的显示泥沙的光学特性而非水的特性．

3)离水辐亮度随质量浓度的变化呈指数函数形式变化(如表1所示)，但在各个观测方位仍有较大差别，离水辐亮度随浓度变化的经验模式有待通过更多的实验数据得到．

4 结论与讨论

水质偏振遥感虽然经过五十多年的发展，但是在实验设计、模型建设等方面还不那么成熟，虽然偏振信号除了强度以外还含带了自然光所没有的更多的信息(如偏振度、偏振角等)，但是在目前的水色遥感应用中发挥的作用还没有预想中的那么大．本文通过对不同浓度铜绿微囊藻溶液和泥沙悬浊液在各方位进行偏振测量，获得了一手的实验数据，分析得出水平偏振离水辐亮度对叶绿素质量浓度、沉淀物质量浓度和观测方位的响应，并试着给出了适合水色偏振遥感测量的几何设置，为水色偏振遥感的数据采集提供了新思路．当然，由于现阶段水质偏振遥感相应理论分析和模型建设还不够成熟，本研究只是根据室内水体偏振测量得到一些初步的结论，许多问题还不能进行深入的理论分析，有待在今后的研究中加强这方面的工作．

5 参考文献

[1]Mobley C D. Light and water[M]．California：Academic Press INC，1994

[2]Dierdre A T，David A S，David W M Remote-sensing reflectance determinations in the coastal ocean environment：impact of instrnm ental characteristics and environmental variability[J]．Applied Optics，2000，39(3)：456

[3] 唐军武，田国良，汪小勇，等．水体光谱测量与分析I：水面以上测量法[J]．遥感学报，2004，8(1)：37

[4] McClain C R，Esaias W E，Barnes W．Volnm e 3 of calibration and validation plan for SeaWiFS[C-] Hooker S B， Firestone E R NASA Tech Memo：
104566．Maryland：[s．n]．1992

[5] Mueller J L，Austin R W．Volume 25 of ocean optics protocols for SeaWiFS validation[c]∥ Hoker S B，Firestone E R，Acker J G．NAsA Tech M emo：104566．Maryland：Is．n]．1995

[6] Sabbah S，Lerner A，Erlick C Under water polarization vision-A physical examination[J]．Recent Res Devel Experimental& Theoretical Biol，2005(1)：1

[7] Kenneth J V，Liu Y．Polarized radiance distribution measurements of skylight．工system description and characterization[J]．Applied Optics，1997，36(24)：6083

[8] Chami M，Santer R，Dilligeard E Radiative transfer model for the computation of radiance and polarization in an ocean-atmosphere system：
polarization properties of suspended matter for remote sensing[J-]．Applied Optics，2001，40(15)：2398

[9] Dariusz S，Annick B，Andre M Modeling the inherent optical properties of the ocean based on the detailed composition of the planktonic community[J]．Applied Optics，2001，40(18)：2929

[10] Waterman T H． Polarization patterns in submarine illumination[J]．Science，1954，120(3127)：927

[11] 新谷隆一，范爱英，康昌鹤．偏振光[M]．北京：原子能出版社，1994

[12]吕洪刚，张锡辉，郑振华，等．原水藻与叶绿素a定量关系的研究[J]．给水排水，2005，31(2)：26

*中国科学院知识创新工程重要方向性资助项目(KZCX3-SW-338-1)；
长江学者和创新团队发展计划资助项目。

来源：《北京师范大学学报(自然科学版)》2007年6月

相关热词搜索：偏振水体 实验研究 特性室内