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水體吸收系數測量-OSCAR 高光譜光吸收計

發布人:jim 來源: 發布時間:2024-12-19 16:06:38


水體吸收系數是影響海洋水色的重要因子,該參數的準確測量對于水體生物一光學、水色遙感等諸多研究領域具有重要意義。在海洋生物學中,利用浮游植物的吸收特性來定量估算海洋的初級生產力,還可以利用吸收光譜的形狀識別不同的浮游植物種群;在海洋光學和水色遙感中,利用水體吸收信息進行海洋輻射傳輸以及水色遙感中光學組分的反演。吸收系數是水色遙感的一個重要基礎光學參數,它直接與水體成分相關,受懸浮顆粒物及濃度作用,影響著水體表觀光學信號遙感反射比或者離水輻亮度。水色遙感通過獲取上層海洋光學特性和海洋組分信息,半分析模型是水色遙感反演算法的熱點,其最終目的是利用水體的表觀光學量來反演水體各成分的濃度。

自然水中,懸浮浮游藻類、沉積物、碎屑等的顆粒物光吸收的測量仍然是一個難題,顆粒物的吸收測量,如浮游植物、沉積物、碎屑等,因為大多數測量技術中這些顆粒的光散射會干擾信號使吸收被強烈地高估,通常將觀測到的光衰減中減去散射信號才能得到正確的吸收。此外,在天然水體中,顆粒物的濃度普遍比較低,使得大多數常用的技術都有必要將粒子濃縮,然后才能測量它們的吸收。

目前,測量水體吸收系數的方法分為兩種,定量濾膜技術和現場儀器測量方法。定量濾膜方法是將微粒集中在玻璃纖維過濾器上,用分光光度計(QFT,定量過濾技術)來測量過濾器。然而,這需要全面的樣品處理,如過濾,保存,儲存等,且無法實現現場自動測量,一般在實驗室中采用。該方法考慮了自然水體中顆粒物的濃度通常較低,難以對其進行直接測量的問題,但存在顆粒物在濾紙上的累積效應與GF/F高散射性質帶來的光程放大效應。

現在已開發出商品化的水體吸收現場測量系統,如美國Wet labs公司的ac系列(ac-9和ac-s),美國Hobilabs公司的a-sphere積分球光吸收計(已停產)和德國TriOS 公司的OSCAR 高光譜積分腔吸收計。

AC9/ACS 儀器對大洋水體和較清潔水體有較高的測量精度,測量成本相對實驗室測量可忽略、攜帶使用方便等諸多優點,是目前 NASA 光學測量規范中水色衛星定標檢驗現場測量吸收和衰減的首選儀器。然而隨著儀器的全球推廣應用,也逐漸暴露出諸多問題,儀器軟件生成的各種校正參數是生產商根據美國有限水域類型情況設定的,而對于我國湖泊和近海高吸收散射水體的復雜性卻不能較好的解決,如 AC9/ACS 的散射校正問題。由于儀器的設計原理是在光的傳輸過程中,光滑石英內壁反射了所有的散射光,粗糙亞光內壁吸收所有的散射光,然而,實際是這是無法達到的理想情況,光與顆粒碰撞引起的與石英內壁大于 41°排除所有的散射光子,根據假設不同,各散射校正方法造成約±5-50% 誤差,高吸收和散射水體及量值較小的紅光近紅外波段誤差更大。

要克服上述這些問題的一種可能性是在一個積分球體內測量原始樣本,這將減少/避免散射問題和樣品處理,并通過相當長的光學路徑(高達幾米)提高靈敏度。為了將散射效應減少到一個微不足道的水平,球體內的光分布必須是均勻的和各向同性的,這樣在球體內的任何附加散射都不會改變光場。一種簡單的方法是使用一個中心各向同性光源,如Kirk(1995,1997)所提議和理論描述的,一個點源積分腔吸收計(PSICAM)。另一個更復雜的結構是用來測定純水的吸收(Pope & Fry 1997, Pope et al. 2000)。PSICAM的概念進一步被Leathers等人(2002)和Lerebourg等人(2002)所調查研究,并由Röttgers等人(2005)進行了成功的測試。在Röttgers等人(2007)和Röttgers & Doerffer(2007)研究結果顯示了自然樣本的第一個結果。Wollschlaeger et al. (2013) 研究結果顯示了流經系統的第一個結果。
基于此原理,德國TriOS 公司開發了一款OSCAR光吸收計(360~720nm),可用來測量水體的吸收,如河水、海水、地下水等。基于點源積分腔吸收計PSICAM(Point Source Integrating Absorption Meter)原理設計,該款吸收計測量得到真實的吸收光譜,無需像市場上的其他儀器一樣要通過許多假設條件。OSCAR既適合實驗室使用,也適合野外原位測量,內置數據采集功能結合低功耗設計使其能夠實現自動測量。


OSCAR是在一個積分球內測量原始水樣,中心光源為漫射石英玻璃制成的一個散射球體,內腔體由漫反射性塑料材料(PTFE)制成,材料厚度為10mm時,反射率可達94~97%。測量時,腔體內充滿水樣,經小球發出的光被腔體中的水樣吸收后到達內壁被無數次反射,最后被高光譜輻照度傳感器檢測。球體內的光場分布均勻,避免了散射影響和樣品處理,并通過相當長的光學路徑(高達幾米)提高了靈敏度。

 


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