海洋光学固有光学参数及其现场测量方法
摘 要 海洋光学固有光学参数主要包括吸收系数、散射系数、衰减系数和体散射函数，这些参数仅取决于海水本身的物理特性，是海洋光学研究的基本参数。本文主要介绍了固有光学参数以及目前国际海洋光学和海遥感界最常用的固有光学参数测量方法。
关键词 固有光学参数；吸收系数；后向散射系数
0 引言
自然水体中，不管是淡水还是盐碱水体，都含有溶解物质和粒子物质。溶解物质和粒子物质的类型和浓度在各种水体中变化很大，这直接影响水体的光学性质。自然水体的光学特性与生、地、化要素以及物理环境密切相关，因此研究自然水体的光学特性有很重要的意义。
19世纪初海洋研究者开始利用透明度盘目测自然光在海水中的垂直衰减。19世纪末海洋学家开始注意研究海洋的光学特性，并采用光电方法测量了海洋的辐照度。20世纪30年代瑞典等国的科学家设计了最初的海洋光学仪器，用以测定海水的光辐射场分布、体积衰减系数和散射系数。20世纪60年代，Preisendorfer提出了比较系统的海洋光学辐射传递理论，根据海洋
中光学特性是否随光场分布变化定义了海洋的固有光学特性和表观光学特性 。本文主要介绍自然水体的固有光学参数以及当前测量固有光学参数最常用的仪器。
1 固有光学参数介绍
固有光学参数包括光谱吸收系数、散射系数、衰减系数和体散射函数等。影响海水固有光学参数的海水组分主要包括：纯海水、悬浮颗粒物和有可溶有机物（CDOM）。水体总吸收系数与总散射系数分别为海水各组分吸收系数与各组分散射系数之和 [3，6]。
其中，表示水体总吸收系数，分别表示纯水、浮游植物叶绿素、非素悬浮颗粒物、有可溶有机物的吸收系数；表示水体总散射系数，分别表示纯水和悬浮颗粒物的散射系数；为总后向散射系数，分别表示纯水和悬浮颗粒物后向散射的比例系数。
2 测量固有光学参数的仪器
2.1 ac-s高光谱吸收衰减测量仪
固有光学参数中的吸收系数a和衰减系数c可以由美国WET Labs 公司生产的ac-s高光谱吸
收衰减仪[7]测量，该仪器是目前国际海洋光学和海遥感界公认的吸收系数和衰减系数现场测量标准仪器。较清洁海水中吸收管和衰减管均25cm长，直径φ=8mm，被安置于仪器中部。吸收管为全反射石英内壁，衰减管为全吸收内壁。光源由两个白炽灯（钨丝）提供两束平行光分别进入吸收管和衰减管，被安置于仪器下部。两个光电接收器（二极管）分别接受吸收管和衰减管顶端的光信号，被安置于仪器上部。吸收管和衰减管的入水口在下方，出水口在上方，出水口处接水泵，使两管内海水由下向上流动[7]。
现场测量的ac-s原始数据需按仪器使用说明书进行以下各项数据校正。
1）纯水定标。正常情况下，ac-s测量纯水时，经过校正后得到的吸收系数和衰减系数应该接近于0。然而ac-s作为高精密光学仪器，随使用时间的延长，光学器件自身的老化会导致测量结果出现非常明显的漂移，忽略纯水定标会对测量数据的进一步分析带来严重的误差；
2）温盐校正。由于仪器定标温度与现场实测温度有一定差异，现场测量数据受温度影响比较大，尤其对红光波段的影响比较严重，因此，必须对现场实测数据进行温度校正。由于仪器定标用的是纯水定标，而实测海水盐度一般在30psu左右，因此还需要对实测数据进
行盐度校正。ac-s测量的吸收系数am和衰减系数cm为海洋水体所有物质的吸收系数at和衰减系数ct减去纯水的吸收系数aw和衰减系数cw后的结果。
3）反射管散射校正。ac-s吸收管内壁具有全反射特性，实际往往无法达到理想效果，反射管并不能完全反射所有散射光，最终导致测量到的吸收系数偏高，目前最常用的散射校正有3种方法。
（1） 选取近红外波段 （715nm附近） 作为参考波段，假设在该波段附近海水中粒子和溶解物质对光吸收没有任何贡献，只有散射对吸收管测量的结果有贡献，这部分贡献正是反射管的散射误差。散射校正时，进一步假设其体散射函数的形状和大小与波长无关，将吸收系数做完温盐校正后减去该散射误差。
三种散射校正方法中，前两种计算方法较为简便，第1种计算方法假设所有波段散射误差相同并不十分准确；第2种计算方法虽然可以对各波段进行散射校正，但是k非常难确定；第3种方法是前两种方法的综合，该方法需要多个参考量，算法比较复杂，但是该方法能够自动确定散射校正因子。因此，在数据散射校正中建议采用第三种方法。
2.2 BB9高光谱后向散射仪
固有光学参数中后向散射函数可以由BB9高光谱后向散射仪测量得到，该仪器是美国WET Labs公司生产的ECO系列产品，BB9仪器包含3个BB3仪器和一个ECO数据多路转换器，每个BB3仪器提供3个不同波段的的后向散射测量功能。BB9可以测量117度角的散射，该角度取决于水体本身和悬浮物引起的体散射函数的变化，因此该仪器测量的信号更直接的与水体中物质的浓度有关，很少受水体中物质的大小和类型影响。BB9使用的光源为9个LED发光二极管，探测器的设计与光束成117度夹角[8]。
在现场测量时BB9可与ac-s同时下放， BB9自身没有压力传感器，因此需要通过时间计数的关系与ac-s的时间匹配，利用s parameterac-s的压力传感器换算成深度，再由WAP软件自带的BB9设备文件自行进行校正。
3 结论
本文对海洋光学固有光学参数以及目前国际海洋光学和海遥感界普遍采用的固有光学参数测量方法做了简要介绍。文章根据出海实验中积累的实际经验，对现场测量中ac-s高光谱吸收衰减测量仪和BB9后向散射仪原始数据处理时应注意的问题进行了简要分析。在现场测量中应严格遵循其操作规范，并根据各类数据参照对比做进一步的质量控制，这对确
保海洋光学研究结果的可靠性极为重要。
参考文献
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[4]Seely Martin.An introduction to Ocean Remote Sensing.Cambridge University Press，2006.
[5]R.W.Preisendorfer. Application of radiative transfer theory to light measurements in the sea.IUGG Monographs，10，1961.
[6]陈立贞.中国海垂直非均匀海洋海洋光学特性进一步研究.硕士论文，中国海洋大学，2012.
[7]Spectral Absorption and Attenuation Meter Uaer’s Guide.WET Labs，Inc.2009.
[8]Scattering Meter BB9 User’s Guide.WET Labs， Inc，2007.

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