水体偏振特性的室内实验研究（周红敏 柏延臣 王锦地）

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1、水体偏振特性的室内实验研究（周红敏柏延臣王锦地）　　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

2、，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

3、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

4、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TalbotH．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

5、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

6、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-lightJCV14．5，规格为14．5V、50W、3200K，出射光为平行光，在350—900nm之间，偏振度约为5%；波长在900nm以后，偏振度接近于零．FSP350-2500P光谱仪由美国AnalyticalSpectralDevices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40cm，高15cm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

7、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2h，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