两种水体后向散射系数测量方法的比较研究

陈利博，李铜基，黄妙芬，朱建华，周虹丽，杨安安

（1.大连海洋大学，辽宁 大连 116023；2.国家海洋技术中心，天津 300112）

两种水体后向散射系数测量方法的比较研究

陈利博1，2，李铜基2，黄妙芬1，朱建华2，周虹丽2，杨安安2

（1.大连海洋大学，辽宁 大连 116023；2.国家海洋技术中心，天津 300112）

水体后向散射系数的测量方法是固有光学量中的一个难点和待完善部分。以2010年9月蓬莱航次获得的实验数据为例，比较分析了分光光度计测量水体后向散射系数与水体后向散射系数测量仪HydroScat-6测量法的实测结果，结果表明两者所测结果在蓝绿光波段有较好的一致性。

后向散射系数；FTF/T-R法；悬浮颗粒物

水体后向散射系数bb是重要的海洋光学参数，在海洋水色要素反演、水色组分浓度反演和生物光学模型中扮演重要的角色，其测量方法一直是个难点[1-2]。目前对水体后向散射系数bb的测量主要通过后向散射系数测量仪（如美国Hobilabs公司产的HydroScat-6等）在现场进行，这类仪器价格昂贵、定标过程复杂。Tasaan和Allali 2002年提出了一种可同时测量水体吸收和后向散射系数的FTF/T-R法[3,8]，该方法使用分光光度计附加一个60 mm直径积分球的装置，同时可测量水体颗粒物和非色素颗粒物的后向散射系数。该方法的研究可推动我国近岸水体后向散射系数数据库的建立，因此研究分析这两种方法对自然水体的测量结果有着重要的意义。

为了分析比较HS-6(HydroScat-6)后向散射系数测量仪和分光光度计测量水体后向散射系数，本文选择山东烟台蓬莱长岛附近海域作为试验区，此海域水体悬浮物分布梯度明显，水体光学特征主要表现为典型的二类水体特点，具有较强的海区代表性。2010年9月，利用HS-6后向散射系数测量仪进行现场测量并同步采样带回实验室利用分光光度法测量，然后根据算法公式计算得到各站位水体的后向散射系数，将得到的结果与经sigma纠正后的HS-6结果进行统计分析。本航次共得到了13个站位的后向散射系数测量结果，站位分布见图1所示。

1 方法与结果

1.1 方法介绍

HS-6测量方法介绍：6通道后向散射仪 (HydroScat-6 SprctralBackscattering Sensor，HS-6)是由美国 Hobi-labs 公司生产，可在6个不同波段测量水体后向散射系数的仪器，6个波段的通道彼此独立，每个通道都有独立的光源和光接收器，光源产生对应于该通道波段的光束并射入水中，同时光接收器接收由水体散射出来的那部分光。仪器通过测量出射光的能量和接收到的(140°的散射光)光通量，得到140°角处的体积散射函数β（λ，θ），再利用体散射函数和后向散射系数之间的关系得到水体的后向散射系数[9-10]。本次试验中使用的 HS-6仪器波段设置为 442 nm，488 nm，510 nm，550 nm，676 nm，852 nm。

图1 蓬莱近岸13个站位分布图

分光光度计测量方法介绍：该方法也可称为FTF/T-R法，结合算法公式可作为一种同时测量水体悬浮颗粒物后向散射系数和吸收系数的新方法，该方法结合了 （modifiedtransfer-freeze）FTF 法[11,16]和 （transmittance–reflectance）T-R法的各自优点，最大程度地避免了光程放大因子β的影响和散射损失。测量过程中利用双光路分光光度计附加积分球的装置，对富集在玻片上的后向散射因子颗粒物进行透射比和反射比测量，将得到的测量量代入算法公式得到样品的后向散射系数值。分光光度法测量水体后向散射系数的原理公式为[3]：

式中：X是样品过滤体积除以有颗粒物的滤纸面积的比值；T0是经前向散射损失校正后得到的样品透射比；Ta是T0中与吸收有关的一个物理量。

根据事先设计好的采样点的经纬度，利用手持GPS依次到达各个采样点，采集表层海水样品。并将样品瓶放到保温箱中，同时用HS-6测量该站位的水体后向散射系数。所有站位采样结束后，立即将得到的样品送回实验室完成FTF/TR法的测量。FTF/T-R法测量中使用的分光光度计为澳大利亚科仪公司生产的紫外/可见分光光度计Cintra20（波长间隔1.2 nm，波长范围：380～700 nm，附加直径60 mm的积分球）。

1.2 测量结果

HS-6测量结果：对13个站位HS-6测量得到的水体后向散射系数做sigma校正，得到修正后的水体后向散射系数如图2所示。

从HS-6测量的结果来看，站位PL12，PL13的后向散射系在数值上明显高于其它站位，以442nm波段为例，最大值为0.028 5 m-1，出现在 PL12站位；最小值为 0.013 6 m-1，出现在PL11站位。在水体吸收峰的特征波段480 nm处有波谷出现，这可能与测量后的数据经过sigma纠正有关。

图2 蓬莱近岸13个站位HS-6后向散射系数

分光光度法测量结果：由分光光度计测量得到的数据代入公式（1）计算得到蓬莱13个站位的后向散射系数如图3所示。

分光光度法是一种新的测量水体后向散射系数的方法，该方法获得的是全波段的水体后向散射系数，从谱型上来看，后向散射系数值随着波长的减小而呈指数形式的增加，这与国外morel和国内周雯等人提出的理论相一致[17,20]。以各站位的全波段水体后向散射系数的平均值结果来看，最大值出现在PL13站位，其值为0.044 m-1，最小值出现在PL04站位，其值为0.031 m-1。从两种方法的整体测量结果来看，PL12，PL13站位后向散射系数值均较高，PL08，PL10站位两种测量方法所得值均处于中间位置，其它站位分布相对较集中,两者的测量结果均表现出较为一致的梯度分布。

图3 蓬莱近岸13个站位分光光度计测量法得到的后向散射系数

2 结果与讨论

由于分光光度计测量计算得到的后向散射系数是全波段的，为了与HS-6测量结果进行比对分析，且考虑实验室内的分光光度计在近红外波段受杂散光影响较大，且近红外波段在水色遥感领域属于水汽窗口波段，舍弃852 nm波段的比较结果，把两种测量方法得到的结果进行统计分析，图4为两种方法的比对图。

图4 两种方法结果比对图

由图4的数据结果进行两者的线性度计算，在442 nm波段两者的线性度较好，对应的R2=0.936 3，448 nm对应的R2=0.789 7，510 nm对应的 R2=0.860 2，550 nm对应的 R2=0.672 8，676 nm对应的R2=0.627 2。可知在676 nm波段处两者测量结果的偏离程度较大，这可能是由于676 nm靠近近红外波段，在分光光度计的测量中引入的杂散光和误差因素较多，且HS-6在676 nm的波段宽度设置和蓝绿光波段的设置并不相同也可能是其中的原因之一。

利用分光光度计测量得到的442 nm，488 nm，510 nm，550 nm，676 nm的后向散射系数值与HS-6实测值的偏差对两种方法进行评价，相对偏差计算公式为：

表1给出的是利用公式2得到的两种测量方法的特征波段相对偏差和平均偏差分布。从分布情况可知不同站位的平均相对偏差变化较大，最大值出现在PL08站位，最小值出现在PL12站位，各波段的平均相对偏差在676 nm较大，其它波段均可控制在±10%之内。

图5给出了13个站位在5个特征波段的相对偏差分布和每个站位在特征波段的平均相对偏差分布情况。

表1 两种测量方法特征波段的相对偏差分布/%

图5 两种测量方法对应的特征波段相对偏差分布

由图5可知两种测量方法所得的结果在676 nm处相对偏差过大，超出可接受范围，表明分光光度法测量值在此波段不具备可比性。但在442 nm，488 nm，510 nm，550 nm处两者的相对偏差较小，均控制在合理的范围内；两种测量方法一致性较好的站位为PL03，PL05，PL12，从13个站位的分布和测量结果分析， 如 PL05，PL06，PL07 和 PL09，PL11，PL12站位两种测量方法的相对误差范围在0.01～0.02之间，通过图6分光光度计实测值相对于HS-6实测值的相对偏差分布对两种测量方法的对比分析，一定程度上可作为后向散射系数的真值检验依据，但是依据更充分的分析需要更多重复性实验结果验证。

图6 分光光度计实测值相对于HS-6实测值的相对偏差分布

由图6的统计结果可知平均相对偏差在±10%之内的有3个站位，平均相对偏差在±10%和±20%之间的有7个站位，平均相对偏差大于±20%的有3个站位。数据结果同时表明两种测量方法的结果存在着系统误差，原因可能与各站位水体组分、粒径分布状态、仪器的测量操作引入的误差等有关，更深入的分析有待进一步的研究。

3 总结

本文通过对蓬莱近岸13个站位的数据结果进行分析，认为利用分光光度计测量水体后向散射系数这一新方法和HS-6测量方法在442 nm，488 nm，510 nm，550 nm处有较高的一致性，相对偏差变化平稳，在676 nm处分光光度法和HS-6值之间存在的误差较大。总的来讲分光光度法是一种未成熟但值得研究的水体后向散射系数测量的新方法，该方法的误差因素较多，两者的结果分析只可作为一个参考，对分光光度计测量水体后向散射系数方法还有待进一步的研究。

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Abstract：The measurement of backscattering coefficients is a difficulty in inherent optical properties and needs to be improved.According to the data from September 2010 at Penglai cruise,a new experimental method using the spectrophotometer to get the backscattering coefficients is compared with the traditional method with the HS-6.The result indicates that the backscattering coefficients obtained by the two methods are coincident in blue-green wave band.

Key words：backscattering coefficient;FTF/T-R method;suspended matter

Comparison of Two Methods for Backscattering Coefficients Measurement in Water Body

CHEN Li-bo1,LI Tong-ji2,HUANG Miao-fen1,ZHU Jian-hua2,ZHOU Hong-li2,YANG An-an2
（1.Dalian Ocean University,Dalian Liaoning 116023,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

TP722.4

A

1003-2029（2011）01-0057-05

2010-10-26

国家海洋局青年基金资助项目（2009417）

陈利博（1986－），男，河南洛阳人，硕士研究生，主要从事物理海洋测量、固有光学测量方面研究。E-mail:clbdlwl@sohu.com