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水体吸收系数测量-OSCAR 高光谱光吸收计

发布人:rxzhang 来源: 发布时间:2021-06-15 10:47:44


水体吸收系数是影响海洋水色的重要因子,该参数的准确测量对于水体生物一光学、水色遥感等诸多研究领域具有重要意义。在海洋生物学中,利用浮游植物的吸收特性来定量估算海洋的初级生产力,还可以利用吸收光谱的形状识别不同的浮游植物种群;在海洋光学和水色遥感中,利用水体吸收信息进行海洋辐射传输以及水色遥感中光学组分的反演。吸收系数是水色遥感的一个重要基础光学参数,它直接与水体成分相关,受悬浮颗粒物及浓度作用,影响着水体表观光学信号遥感反射比或者离水辐亮度。水色遥感通过获取上层海洋光学特性和海洋组分信息,半分析模型是水色遥感反演算法的热点,其最终目的是利用水体的表观光学量来反演水体各成分的浓度。

自然水中,悬浮浮游藻类、沉积物、碎屑等的颗粒物光吸收的测量仍然是一个难题,颗粒物的吸收测量,如浮游植物、沉积物、碎屑等,因为大多数测量技术中这些颗粒的光散射会干扰信号使吸收被强烈地高估,通常将观测到的光衰减中减去散射信号才能得到正确的吸收。此外,在天然水体中,颗粒物的浓度普遍比较低,使得大多数常用的技术都有必要将粒子浓缩,然后才能测量它们的吸收。

目前,测量水体吸收系数的方法分为两种,定量滤膜技术和现场仪器测量方法。定量滤膜方法是将微粒集中在玻璃纤维过滤器上,用分光光度计(QFT,定量过滤技术)来测量过滤器。然而,这需要全面的样品处理,如过滤,保存,储存等,且无法实现现场自动测量,一般在实验室中采用。该方法考虑了自然水体中颗粒物的浓度通常较低,难以对其进行直接测量的问题,但存在颗粒物在滤纸上的累积效应与GF/F高散射性质带来的光程放大效应。

现在已开发出商品化的水体吸收现场测量系统,如美国Wet labs公司的ac系列(ac-9和ac-s),美国Hobilabs公司的a-sphere积分球光吸收计(已停产)和德国TriOS 公司的OSCAR 高光谱积分腔吸收计。

AC9/ACS 仪器对大洋水体和较清洁水体有较高的测量精度,测量成本相对实验室测量可忽略、携带使用方便等诸多优点,是目前 NASA 光学测量规范中水色卫星定标检验现场测量吸收和衰减的首选仪器。然而随着仪器的全球推广应用,也逐渐暴露出诸多问题,仪器软件生成的各种校正参数是生产商根据美国有限水域类型情况设定的,而对于我国湖泊和近海高吸收散射水体的复杂性却不能较好的解决,如 AC9/ACS 的散射校正问题。由于仪器的设计原理是在光的传输过程中,光滑石英内壁反射了所有的散射光,粗糙亚光内壁吸收所有的散射光,然而,实际是这是无法达到的理想情况,光与颗粒碰撞引起的与石英内壁大于 41°排除所有的散射光子,根据假设不同,各散射校正方法造成约±5-50% 误差,高吸收和散射水体及量值较小的红光近红外波段误差更大。

要克服上述这些问题的一种可能性是在一个积分球体内测量原始样本,这将减少/避免散射问题和样品处理,并通过相当长的光学路径(高达几米)提高灵敏度。为了将散射效应减少到一个微不足道的水平,球体内的光分布必须是均匀的和各向同性的,这样在球体内的任何附加散射都不会改变光场。一种简单的方法是使用一个中心各向同性光源,如Kirk(1995,1997)所提议和理论描述的,一个点源积分腔吸收计(PSICAM)。另一个更复杂的结构是用来测定纯水的吸收(Pope & Fry 1997, Pope et al. 2000)。PSICAM的概念进一步被Leathers等人(2002)和Lerebourg等人(2002)所调查研究,并由Röttgers等人(2005)进行了成功的测试。在Röttgers等人(2007)和Röttgers & Doerffer(2007)研究结果显示了自然样本的第一个结果。Wollschlaeger et al. (2013) 研究结果显示了流经系统的第一个结果。
基于此原理,德国TriOS 公司开发了一款OSCAR光吸收计(360~720nm),可用来测量水体的吸收,如河水、海水、地下水等?;诘阍椿智晃占芇SICAM(Point Source Integrating Absorption Meter)原理设计,该款吸收计测量得到真实的吸收光谱,无需像市场上的其他仪器一样要通过许多假设条件。OSCAR既适合实验室使用,也适合野外原位测量,内置数据采集功能结合低功耗设计使其能够实现自动测量。


OSCAR是在一个积分球内测量原始水样,中心光源为漫射石英玻璃制成的一个散射球体,内腔体由漫反射性塑料材料(PTFE)制成,材料厚度为10mm时,反射率可达94~97%。测量时,腔体内充满水样,经小球发出的光被腔体中的水样吸收后到达内壁被无数次反射,最后被高光谱辐照度传感器检测。球体内的光场分布均匀,避免了散射影响和样品处理,并通过相当长的光学路径(高达几米)提高了灵敏度。

 


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