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水體吸收系數(shù)測(cè)量-OSCAR 高光譜光吸收計(jì)

發(fā)布人:jim 來源: 發(fā)布時(shí)間:2024-12-19 16:06:38


水體吸收系數(shù)是影響海洋水色的重要因子,該參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于水體生物一光學(xué)、水色遙感等諸多研究領(lǐng)域具有重要意義。在海洋生物學(xué)中,利用浮游植物的吸收特性來定量估算海洋的初級(jí)生產(chǎn)力,還可以利用吸收光譜的形狀識(shí)別不同的浮游植物種群;在海洋光學(xué)和水色遙感中,利用水體吸收信息進(jìn)行海洋輻射傳輸以及水色遙感中光學(xué)組分的反演。吸收系數(shù)是水色遙感的一個(gè)重要基礎(chǔ)光學(xué)參數(shù),它直接與水體成分相關(guān),受懸浮顆粒物及濃度作用,影響著水體表觀光學(xué)信號(hào)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(xué)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(diǎn),其最終目的是利用水體的表觀光學(xué)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(cè)量仍然是一個(gè)難題,顆粒物的吸收測(cè)量,如浮游植物、沉積物、碎屑等,因?yàn)榇蠖鄶?shù)測(cè)量技術(shù)中這些顆粒的光散射會(huì)干擾信號(hào)使吸收被強(qiáng)烈地高估,通常將觀測(cè)到的光衰減中減去散射信號(hào)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(shù)常用的技術(shù)都有必要將粒子濃縮,然后才能測(cè)量它們的吸收。

目前,測(cè)量水體吸收系數(shù)的方法分為兩種,定量濾膜技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)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(jì)(QFT,定量過濾技術(shù))來測(cè)量過濾器。然而,這需要全面的樣品處理,如過濾,保存,儲(chǔ)存等,且無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量,一般在實(shí)驗(yàn)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(duì)其進(jìn)行直接測(cè)量的問題,但存在顆粒物在濾紙上的累積效應(yīng)與GF/F高散射性質(zhì)帶來的光程放大效應(yīng)。

現(xiàn)在已開發(fā)出商品化的水體吸收現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),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(jì)(已停產(chǎn))和德國TriOS 公司的OSCAR 高光譜積分腔吸收計(jì)。

AC9/ACS 儀器對(duì)大洋水體和較清潔水體有較高的測(cè)量精度,測(cè)量成本相對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量可忽略、攜帶使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn),是目前 NASA 光學(xué)測(cè)量規(guī)范中水色衛(wèi)星定標(biāo)檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量吸收和衰減的首選儀器。然而隨著儀器的全球推廣應(yīng)用,也逐漸暴露出諸多問題,儀器軟件生成的各種校正參數(shù)是生產(chǎn)商根據(jù)美國有限水域類型情況設(shè)定的,而對(duì)于我國湖泊和近海高吸收散射水體的復(fù)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(shè)計(jì)原理是在光的傳輸過程中,光滑石英內(nèi)壁反射了所有的散射光,粗糙亞光內(nèi)壁吸收所有的散射光,然而,實(shí)際是這是無法達(dá)到的理想情況,光與顆粒碰撞引起的與石英內(nèi)壁大于 41°排除所有的散射光子,根據(jù)假設(shè)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(gè)積分球體內(nèi)測(cè)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(dāng)長的光學(xué)路徑(高達(dá)幾米)提高靈敏度。為了將散射效應(yīng)減少到一個(gè)微不足道的水平,球體內(nèi)的光分布必須是均勻的和各向同性的,這樣在球體內(nèi)的任何附加散射都不會(huì)改變光場(chǎng)。一種簡單的方法是使用一個(gè)中心各向同性光源,如Kirk(1995,1997)所提議和理論描述的,一個(gè)點(diǎn)源積分腔吸收計(jì)(PSICAM)。另一個(gè)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是用來測(cè)定純水的吸收(Pope & Fry 1997, Pope et al. 2000)。PSICAM的概念進(jìn)一步被Leathers等人(2002)和Lerebourg等人(2002)所調(diào)查研究,并由Röttgers等人(2005)進(jìn)行了成功的測(cè)試。在Röttgers等人(2007)和Röttgers & Doerffer(2007)研究結(jié)果顯示了自然樣本的第一個(gè)結(jié)果。Wollschlaeger et al. (2013) 研究結(jié)果顯示了流經(jīng)系統(tǒng)的第一個(gè)結(jié)果。
基于此原理,德國TriOS 公司開發(fā)了一款OSCAR光吸收計(jì)(360~720nm),可用來測(cè)量水體的吸收,如河水、海水、地下水等?;邳c(diǎn)源積分腔吸收計(jì)PSICAM(Point Source Integrating Absorption Meter)原理設(shè)計(jì),該款吸收計(jì)測(cè)量得到真實(shí)的吸收光譜,無需像市場(chǎng)上的其他儀器一樣要通過許多假設(shè)條件。OSCAR既適合實(shí)驗(yàn)室使用,也適合野外原位測(cè)量,內(nèi)置數(shù)據(jù)采集功能結(jié)合低功耗設(shè)計(jì)使其能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。


OSCAR是在一個(gè)積分球內(nèi)測(cè)量原始水樣,中心光源為漫射石英玻璃制成的一個(gè)散射球體,內(nèi)腔體由漫反射性塑料材料(PTFE)制成,材料厚度為10mm時(shí),反射率可達(dá)94~97%。測(cè)量時(shí),腔體內(nèi)充滿水樣,經(jīng)小球發(fā)出的光被腔體中的水樣吸收后到達(dá)內(nèi)壁被無數(shù)次反射,最后被高光譜輻照度傳感器檢測(cè)。球體內(nèi)的光場(chǎng)分布均勻,避免了散射影響和樣品處理,并通過相當(dāng)長的光學(xué)路徑(高達(dá)幾米)提高了靈敏度。