光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量的影响

刘 佳，龚 芳，何贤强，朱乾坤，黄海清

1. 卫星海洋环境动力学国家重点实验室，国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012 2. 遥感与智能信息系统研究中心，中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119

光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量的影响

刘 佳1,2，龚 芳1*，何贤强1，朱乾坤1，黄海清1

1. 卫星海洋环境动力学国家重点实验室，国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012 2. 遥感与智能信息系统研究中心，中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119

颗粒后向散射系数是水体主要的固有光学特性，也是海洋水色的决定因子和海洋水色卫星遥感反演的基础参数。当前，利用光学仪器现场原位测量是获取水体颗粒后向散射系数的主要方法。由于光源自身和仪器光路中镜面反射和折射，其出射光源可能存在一定的偏振，进而会影响水体后向散射系数测量的精度。目前，关于水体后向散射系数测量仪器的光源偏振性及其对颗粒后散射系数测量精度影响的研究尚为空白。针对该问题，以应用广泛的水体后向散射测量仪HydroScat6(HS-6)为例，对其出射光源的偏振特性进行了系统测量，并进一步开展了光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量精度影响的实验研究。结果表明，HS-6六个光学通道除590 nm通道出射光源偏振度略低外(～15%)，其他通道出射光源中心波长偏振度均在20%～30%。因此，HS-6出射光源具有显著的偏振特性。光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响，且影响程度随着波段，线偏振角度及悬浮泥沙浓度而变化。不同悬浮泥沙浓度下，光源偏振引起的420，442，470，510，590和670 nm六个波段的平均偏差可达15.49%，11.27%，12.79%，14.43%，13.76%，12.46%。因此，利用光学仪器现场测量颗粒后向散射系数需要考虑光源偏振的影响，并需尽可能降低出射光源的偏振度。

偏振；后向散射系数；固有光学特性；水色遥感

引 言

颗粒后向散射系数是水体主要的固有光学量，只与水体颗粒组份有关，不随光照条件变化[1]。同时，颗粒后向散射系数是海洋水色卫星遥感反演的基础参数[2]，是海洋水色决定因子之一[3]。此外，颗粒后向散射系数在海洋初级生产力估算[4]，有害藻种监测和识别[5]，浮游植物群落结构识别[6]，水质评价[7]及辐射传输模型建立[8]等方面具有重要应用。当前，利用光学仪器现场原位测量是获取水体颗粒后向散射系数的主要方法，如HOBI Labs公司Hydroscat-6P (HS-6)，Satlantic公司的VSF3和BB9等。Twardowski等[2]对比分析了HS-6和BB9的测量结果，发现它们有10%左右的差异。Boss等[9]在长时间序列站LEO15进行的现场测量结果表明，VSF3和HS-6拥有较好的一致性。Jφrgensen等[10]对四台HOBI Labs HydroScat后向散射仪进行比对，在其中两个站位的测量结果显示四台仪器具有较好的一致性，但是其中两台仪器测量结果略高于其他两台，且不同波段，水深的测量结果偏差略有不同。张儇[11]基于两种不同类型颗粒进行的实验室测量结果，对比分析了3台后向散射测量仪(HS-6，VSF3和BB9)的一致性，结果表明3台仪器在低浊度的水体中一致性较好，但是在高浊度水体中HS-6和BB9结果比VSF3要大；同时指出颗粒形状的复杂性会对后向散射系数测量结果造成一定的影响。

但上述的研究均没有考虑仪器光源可能存在的偏振特性，从而对颗粒后散射系数的测量精度造成影响。实际上，颗粒散射对光源的偏振较为敏感，大量研究表明，离水辐射的偏振度与水体颗粒的散射作用有关[12-14]。Chami[12]在布儒斯特角下研究了浑浊水体中离水辐射偏振度的变化规律，并提出了利用偏振度反演无机颗粒物浓度的方法。Loisel[13]利用POLDER-2卫星传感器的偏振反射率数据反演了高浑浊水体中悬浮颗粒浓度。何贤强[14]提出平行偏振辐射的概念，研究表明其能够大幅地降低太阳耀光并提高水色信噪比。Tonizzo等[15]根据现场测量结果研究了上行辐亮度偏振度与水体吸收衰减比之间的关系，并根据水体偏振信号建立了悬浮颗粒物浓度，粒径的反演方法。目前，关于水体后向散射系数测量仪器的光源偏振特性，以及其对颗粒后散射系数测量精度影响的研究尚为空白。针对该问题，本文以应用广泛的HS-6为例，对HS-6的光源偏振性进行了系统测量，并开展了光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量结果影响的实验研究。

1 实验部分

1.1 光源偏振特性测量

(1)测量原理

光波为横波，可由Stokes矢量完整描述其强度及偏振态信息

(1)

(2)

当入射光透过理想(无衰减)线偏振片时，则出射光的Stokes矢量Sout为

(3)

式中，Mp为米勒矩阵：

(4)

式中，θ为线偏振片透过方向与参考面的夹角。由此可得透射光总辐射强度为

(5)

由式(5)可知，只要测量三个不同线偏振角度(如0° ，60° ，120°)的透射光辐亮度，就可以计算出入射光波的偏振信息。

(2)测量方法

图1所示为HS-6光路的示意图，HS-6共有6个独立波段(中心波长分别为420，442，470，510，590和670 nm)，每个波段对应不同的类似图1的光路。对每个波段，在垂直于出射光源传输方向垂直面上放置线偏振片(LPVISE050-A)。LPVISE050-A线偏振片在可见光波段具有高透过率和超过99%的偏振效率。通过旋转线偏振片，可获得不同透过方向的线偏振光，并利用地物波谱仪(ASD)测量通过线偏振片后的辐亮度。本文测量了0° ，45°，60°，90°，120°和135°线偏振角度下的辐亮度。实验中，先将ASD光纤探头固定在HS-6光路内并对准光路中心，并测量未加线偏振片的辐亮度值；然后，依次测量不同线偏振角度下的辐亮度值，每个角度测量240次，并重复测量三次取平均值。最后利用式(5)获得光源Stokes 矢量和偏振度。

Fig.1 The sketch map of the optical path for each band of HydroScat 6

1.2 偏振光源下颗粒后向散射系数测量

(1)测量原理

后向散射系数为后向半球体散射系数的积分

(6)

式中β(Ψ；λ)为体散射系数，Ψ为散射角。HS-6测量中心散射角140°的体散射系数，然后根据积分中值定理估算bb(λ)。

bb=2πχβ(140)

(7)

其中χ为转换系数，取值为1.08[16]。

通过在出射光源路径上加入线偏振器LPVISE050-A(图1)，获得线偏振光源。同时，由于透过线偏振片后光波能量衰减，使得接收到的后向散射信号也相应减弱，最终导致后向散射系数被低估[式(7)]。因此，需要对线偏振片能量衰减进行校正。根据1.1节，我们测量获得未加偏振片的原始光源辐亮度(L0)，以及加偏振片后不同线偏振方向的辐亮度(Lp)，由此得到校正因子

(8)

则偏振光源测量获得的后向散射系数需要乘以系数k。

(2)测量方法

在内壁完全涂黑的箱型容器内(长30 cm，宽30 cm，高40 cm)加入一定体积的纯净水，静置24 h去除气泡。首先对容器内的纯净水测量，以此作为本底值检验桶壁及底部反射对测量的影响。然后，依次加入事先称重过的泥沙样品(采自钱塘江口门)，配比获得不同浓度的悬浮泥沙溶液(0.5，5，15，30和100 mg·L-1)。为了防止悬浮泥沙颗粒物沉淀，在容器内加入水泵搅动，混合均匀之后测量各浓度下的颗粒向散射系数。对于每种浓度，依次测量未加偏振片和加偏振片时(旋转线偏振片获得不同偏振方向)的颗粒后向散射系数，分别重复测量3次。

2 结果与讨论

2.1 HS-6光源偏振性

图2为HS-6六个波段光源偏振特性测量结果。测量结果显示，除590 nm通道DOP略低外(～15%)，其他通道中心波长DOP均在20～30%。因此，HS-6光源具有显著的偏振性。HS-6通过透镜来调整从LED发出的光，经过棱镜改变光波传输方向后入射到水中，经颗粒后向散射到达探测器(图1)。HS-6使用滤光片获得各通道波长范围，然后通过透镜将接收到的后向散射光聚焦到硅探测器上。HS-6光源经过一系列镜面的反射，折射作用及悬浮颗粒物的散射作用最终到达探测器。根据菲涅尔反射和折射定律可知，光波经过镜面反射后其偏振态将发生变化[17]。因此当HS-6光源以非垂直角度经过棱镜，透镜等光学元件后，其光波偏振特性发生变化，成为部分偏振光。此外，由于HS-6光源不稳定(LED约每2 s会关闭0.1 s)，导致DOP测量结果具有一定程度的不确定性。

表1为HS-6不同通道，不同线偏振方向的校正因子K值测量结果。系数K表征了由于加入线偏振片PVISE050-A后造成的辐射能量衰减程度。同样，各偏振方向上K值的差异性说明了HS-6光源存在显著的偏振性。

Table 1 Polarized radiometric calibration coefficient K of HydroScat 6

Fig.2 The measured radiances at different linear polarization angles and the DOP

2.2 光源偏振对颗粒后向散射系数测量的影响

(1) 测量数据质量检验

图3(a)为测量获得的纯净水后向散射系数结果与Morel[18]纯水体散射系数理论模型结果的比较。尽管测量结果略高于理论模型，两者总体上一致性较好。测量值略高于理论值可能是由于纯净水中仍然含有少量的颗粒物造成。两次测量的结果变化不明显，说明HS-6在测量过程中稳定。

HS-6采样间隔为1 s，每次测量约1 min，重复测量三次。以1 min测量平均值作为测量结果。首先对不同线偏振角度下各个悬浮泥沙溶液后向散射系数测量样本进行数据质量分析，以样本标准偏差与样本平均值比值作为参数研究样本测量过程中测量数据波动情况，结果如图3(b)—(f)所示。样本标准偏差与样本均值比值大部分控制在3%以内，只有少部分样本超过5%，说明数据质量较好。因此，我们选取三次测量中质量相对较好的其中一组，用来分析光源偏振对颗粒后向散射系数测量的影响。

Fig.3 The quality analysis results of Sample data

(2) 测量结果

图4为悬浮泥沙溶液在不同线偏振角度下(0°，45°，60°，90°，120°，135°)与未加线偏振片测量获得的颗粒后向散射系数(注：bbuncorr未经过温盐以及纯水校正)的比较(当悬浮物浓度为0.5 mg·L-1，线偏振角为120°时测量数据损坏缺失)。可以看出，不同偏振角度的光源测得结果具有显著的差异，说明光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响。

Fig.4 The backscatter coefficients measured at different polarizing angles and without polarizer under different suspended sediment concentrations

以未加偏振片的测量结果为标准，计算不同线偏振角度下测量结果的相对偏差值，如表2和图5所示。颗粒后向散射系数测量结果平均相对偏差随着线偏振角度变化差异显著。在线性偏振角度为60°时相对偏差最高，可达22.30%。当悬浮泥沙浓度为100 mg·L-1时，相对偏差最高可达48.23%。420，442，470，510，590和670 nm六个波段偏差的平均值分别为15.35%，11.17%，12.67%，14.67%，13.50%，12.12%，平均值为13.25%。

结果表明，光源偏振对后向散射系数测量具有显著的影响，且影响程度随着波段，线偏振角度及悬浮泥沙浓度而变化。原因包括多方面，一方面是因为不同偏振态的光波经过水体悬浮颗粒散射，其偏振状态将发生改变，且偏振态的改变与颗粒的形状及光学特性密切相关。悬浮颗粒的组份，粒径分布和形状等因素都会对散射光的强度及偏振态的变化规律产生影响[19]，导致不同线偏振光源测量获得的颗粒后向散射系数具有差异。

Fig.5 Relative deviations of the backscatter coefficient measured at different polarizing angles and suspended sediment concentrations

Table 2 The mean deviations of the backscatter coefficient at different polarizing angles and suspended sediment concentrations

polarizingangles420nm442nm470nm510nm590nm690nm018.9316.1719.9614.1719.1112.394513.397.533.508.5817.7013.366022.307.8514.1316.8014.4616.569012.4515.0214.4413.959.9917.1212013.5111.9614.9013.0413.8310.8913511.558.519.0821.455.912.41average15.3511.1712.6714.6713.5012.12

此外，颗粒物散射作用与光波性质有密切的关系，颗粒物对不同波长入射光源散射系数不同。而HS-6后向散射光接收器可能对入射光的偏振特性敏感，且不同波段具有不同偏振响应。入射光的偏振度和偏振方向影响HS-6探测器的偏振响应度，进而影响测量准确度。针对探测器偏振响应引起测量误差的问题，仪器在装配探测器前应该测量不同偏振方向的响应度，以此来纠正测量误差。

3 结 论

通过实验对HS-6光源偏振特性及其对颗粒后向散射系数测量影响进行了研究，获得以下主要结论：

(1)HS-6光源具有显著的偏振性，除590 nm通道偏振度略低外(～15%)，其他通道均在20～30%；

(2)光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响。不同悬浮泥沙浓度下，光源偏振引起的420，442，470，510，590和670 nm六个波段的平均偏差可达15.49%，11.27%，12.79%，14.43%，13.76%，12.46%。

研究结果说明光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响。当前，利用光学仪器(如HS-6，VSF3和BB9)测量水体颗粒后向散射系数均没有考虑光源偏振的影响，因此，下一步需要深入开展校正方法的研究。

[1] Anu Reinart, Birgot Paavel, Don Pierson. Boreal Environment Research, 2004, 9：429.

[2] Huot Y, Morel A, Twardowski M S, et al. Biogeosciences Discussions, 2007, 4(6): 4571.

[3] Stramska M, Stramski D, Hapter R, et al. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2003, 108(C5).

[4] Platt T, Sathyendranath S. Science, 1988, 241(4873): 1613.

[5] Flory E N, Hill P S, Milligan T G, et al. Deep Sea Research Part Ⅰ: Oceanographic Research Papers, 2004, 51(2): 213.

[6] Kutser T, Dekker A G, Skirving W. Limnology and Oceanography, 2003, 48(1): 497.

[7] Ammenberg P, Flink P, Lindell T, et al. International Journal of Remote Sensing, 2002, 23(8): 1621.

[8] McKee D, Cunningham A. Applied Optics, 2005, 44(1): 126.

[9] Boss E, Pegau W S, Lee M, et al. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978-2012), 2004, 109(C1).

[10] Jφrgensen P V, Tilstone G, Hokedal J, et al. Frascatti: European Space Agency, 2002.

[11] Zhang X, He X Q, Chen X, et al. SPIE, 2011: 81751C-81751C-8.

[12] Chami M, McKee D. Optics Express, 2007, 15(15): 9494.

[13] Loisel H, Duforet L, Dessailly D, et al. Optics Express, 2008, 16(17): 12905.

[14] He X Q, Pan D, Bai Y, et al. Scientific Reports, 2014, 4.

[15] Harmel T, Tonizzo A, Ibrahim A, et al. SPIE Remote Sensing. International Society for Optics and Photonics, 2011: 817509-817509-14.

[16] You Y, Tonizzo A, Gilerson A A, et al. Applied Optics, 2011, 50(24): 4873.

[17] Robert A. Maffione, David R. Dana. Applied Optics, 1997, 36(24): 6057.

[18] Morel A. Optical Aspects of Oceanography, 1974, 1.

[19] Hatcher A, Hill P, Grant J, et al. Marine Geology, 2000, 168(1): 115.

*Corresponding author

Impact of Light Polarization on the Measurement of Water Particulate Backscattering Coefficient

LIU Jia1,2, GONG Fang1*, HE Xian-qiang1, ZHU Qian-kun1, HUANG Hai-qing1

1. State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China

2. Laboratory of Remote Sensing and Intelligent Information System, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics of Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China

Particulate backscattering coefficient is a main inherent optical properties (IOPs) of water, which is also a determining factor of ocean color and a basic parameter for inversion of satellite ocean color remote sensing. In-situ measurement with optical instruments is currently the main method for obtaining the particulate backscattering coefficient of water. Due to reflection and refraction by the mirrors in the instrument optical path, the emergent light source from the instrument may be partly polarized, thus to impact the measurement accuracy of water backscattering coefficient. At present, the light polarization of measuring instruments and its impact on the measurement accuracy of particulate backscattering coefficient are still poorly known. For this reason, taking a widely used backscattering coefficient measuring instrument HydroScat6 (HS-6) as an example in this paper, the polarization characteristic of the emergent light from the instrument was systematically measured, and further experimental study on the impact of the light polarization on the measurement accuracy of the particulate backscattering coefficient of water was carried out. The results show that the degree of polarization(DOP) of the central wavelength of emergent light ranges from 20% to 30% for all of the six channels of the HS-6, except the 590 nm channel from which the DOP of the emergent light is slightly low (～15%). Therefore, the emergent light from the HS-6 has significant polarization. Light polarization has non-neglectable impact on the measurement of particulate backscattering coefficient, and the impact degree varies with the wave band, linear polarization angle and suspended particulate matter(SPM) concentration. At different SPM concentrations, the mean difference caused by light polarization can reach 15.49%, 11.27%, 12.79%, 14.43%, 13.76%, and 12.46% in six bands, 420, 442, 470, 510, 590, and 670 nm, respectively. Consequently, the impact of light polarization on the measurement of particulate backscattering coefficient with an optical instrument should be taken into account, and the DOP of the emergent light should be reduced as much as possible.

Polarization；Backscattering coefficient；Inherent optical properties；Ocean color remote sensing

Aug. 20, 2014; accepted Dec. 21, 2014)

2014-08-20，

2014-12-21

国家科技支撑计划项目(2013BAD13B01)，国家(863计划)课题(2014AA123301)，国家自然科学基金项目(41322039, 41271378, 41321004)，全球变化与海气相互作用专项项目(GASI-03-03-01-01)资助

刘 佳，1988年生，中国科学院西安光学精密机械研究所实习研究员 e-mail: 763533751@qq.com *通讯联系人 e-mail: gongfang@sio.org.cn

P733.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0031-07