体散射函数及衰减系数快速剖面仪的研发及应用

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作者 李彩 刘聪 +6 位作者 张现清 陈飞 肖志会 杨泽明 郑媛宁 周雯 许占堂 《热带海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期1-11,共11页

水体体散射函数(volume scattering function, VSF,β(θ,λ))、吸收系数a(λ)及衰减系数c(λ)是海水固有光学特性的基础性参数,基于上述参数可以进一步推算得到水体所有特征性光学特性参数,进而为海洋初级生产力、全球碳循环等基础和... 水体体散射函数(volume scattering function, VSF,β(θ,λ))、吸收系数a(λ)及衰减系数c(λ)是海水固有光学特性的基础性参数,基于上述参数可以进一步推算得到水体所有特征性光学特性参数,进而为海洋初级生产力、全球碳循环等基础和前端领域研究以及水色遥感、水环境监测及灾害预警、水下光场分布、目标追踪、光伏发电等军民融合领域的应用和发展提供重要的数据支撑。受限于体散射函数的强方向性,其测量技术难度大且发展不成熟。文章以高角度分辨率多角度体散射函数及衰减系数高频剖面测量为目标,研发了可同步获取17个角度体散射函数、水体衰减系数、剖面深度及温度信息的快速剖面测量仪(volume scattering and attenuation meter,VSAM),其测量频率最高可达20Hz,体散射函数测量角度范围为10°~170°,角度分辨率10°,剖面最大工作深度200m。利用VSAM对三亚湾和崖州湾水体光学特性分布进行剖面调查研究:整体上,崖州湾和三亚湾水体体散射函数及衰减系数均存在较大的水平、垂直及角度(体散射函数)变化特征;同一水层,自西向东衰减及体散射函数呈递减趋势;同一站位,衰减及体散射函数随剖面深度呈递增趋势;前向10°体散射函数最大,后向120°体散射函数最小,前后向体散射函数相差2个数量级甚至更高。结合同期获取的水体浊度和叶绿素浓度剖面调查结果发现,浊度是崖州湾水体体散射函数及衰减系数显著高于三亚湾的主导贡献者,且上述海域水体浊度与颗粒物散射βp(90°, 650)及衰减cp(6 50)具有很好的线性相关性。VSAM测得的衰减系数及后向体散射函数分别与Viper(Trios公司,德国)及ECO-VSF3 (Seabird公司,美国)测量结果在剖面分布上具有较好的一致性。 展开更多

关键词 体散射函数 衰减系数 剖面测量 三亚湾 崖州湾

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基于体散射函数及吸收系数的南海水体漫射衰减系数研究 被引量：1

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作者 张现清 李彩 +4 位作者 周雯 刘聪 许占堂 曹文熙 杨跃忠 《热带海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期86-95,共10页

漫射衰减系数K_(d)(z,λ)是估算水下光场及水色要素剖面分布、研究浮游植物光合作用及赤潮灾害预警方法的重要参数,它是一个准固有光学特性参数,是波长λ和剖面深度z的函数,除与水体吸收、散射或后向散射有关外,对归一化的水体体散射函... 漫射衰减系数K_(d)(z,λ)是估算水下光场及水色要素剖面分布、研究浮游植物光合作用及赤潮灾害预警方法的重要参数,它是一个准固有光学特性参数,是波长λ和剖面深度z的函数,除与水体吸收、散射或后向散射有关外,对归一化的水体体散射函数即散射相函数的角度分布极为敏感。本文基于广角体散射函数测量仪(volume scattering and attenuation meter,VSAM)、吸收衰减系数测量仪ac-9和ac-s以及海洋光学剖面仪ProfilerⅡOCI/R-200I和Hyper ProⅡ在南海海域实测数据,利用Light GBM、随机森林(random forest,RF)、Cat Boost三种高效机器学习方法,首次构建了基于体散射函数β(ψ)、吸收系数a及对应剖面深度z的漫射衰减系数K_(d)(650)剖面分布估算模型,并综合R^(2)、RMSE、MAPE以及估算与实测数据的对比进行模型评价,结果表明,三种机器学习模型中,Cat Boost模型的R2和RMSE分别为0.8534和0.0472m^(-1),均优于RF和Light GBM;Cat Boost模型的MAPE为11.0585%,低于RF模型但略高于Light GBM模型;通过对比估算和实测结果发现,Cat Boost模型估算结果与实测结果最为相近,是K_(d)(650)最优估算模型。利用Cat Boost模型,结合实测体散射函数β(ψ)、吸收系数a及其相应剖面深度z,对南海北部多个站点15m以浅K_(d)(650)的剖面分布估算表明,上述站点K_(d)(650)在5、10、15m三个水层变化范围为0.275~0.7m^(-1),5m水层的K_(d)(650)较为平稳,10与15m水层K_(d)(650)跨度较大。本研究方法考虑了多角度体散射函数分布对漫射衰减系数的贡献,为基于固有光学特性参数估算K_(d)(z,λ)提供了新方法思路。 展开更多

关键词 漫射衰减系数K_(d)(650) 体散射函数 吸收系数 机器学习

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水体体散射函数测量技术研究进展 被引量：7

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作者 李彩 曹文熙 +6 位作者 柯天存 周雯 杨跃忠 卢桂新 郭超英 王桂芬 孙兆华 《热带海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第5期65-72,共8页

用于描述水体中光散射方向性的体散射函数是模拟或计算海面热平衡、海洋浮游植物生产力、光反应化合物的化学传输的基础性固有光学特性参数,在水色遥感、水下目标光学探测以及生态要素检测等海洋学领域具有重要的意义。体散射函数的检... 用于描述水体中光散射方向性的体散射函数是模拟或计算海面热平衡、海洋浮游植物生产力、光反应化合物的化学传输的基础性固有光学特性参数,在水色遥感、水下目标光学探测以及生态要素检测等海洋学领域具有重要的意义。体散射函数的检测是一项重要而又棘手的国际难题,目前依然处于一个不断探索完善的阶段。文章从原理出发,归纳总结了国际国内有关水体散射特性,特别是体散射函数的测量方法以及基于上述方法的海水散射特性研究进展,并对今后水体体散射函数测量方法的总体研究趋势进行了展望。 展开更多

关键词 体散射函数 散射特性 测量技术 测量原理

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海水中悬浮粒子归一化体散射函数的研究 被引量：3

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作者 苏丽萍 任德明 +2 位作者 曲彦臣 胡孝勇 钱黎明 《激光杂志》 CAS CSCD 北大核心 2006年第5期65-66,共2页

利用Mie散射理论计算了海水中悬浮粒子的归一化体散射函数。海水中悬浮粒子的尺寸分布采用双曲线模型。分别研究了分布函数的幂指数ξ、海水悬浮粒子的折射率n以及入射激光波长λ对海水悬浮粒子归一化体散射函数的影响,并对结果进行了... 利用Mie散射理论计算了海水中悬浮粒子的归一化体散射函数。海水中悬浮粒子的尺寸分布采用双曲线模型。分别研究了分布函数的幂指数ξ、海水悬浮粒子的折射率n以及入射激光波长λ对海水悬浮粒子归一化体散射函数的影响,并对结果进行了分析。 展开更多

关键词 MIE理论 归一化体散射函数 粒子尺寸分布

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水中颗粒物大角度范围体散射函数测量方法 被引量：5

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作者 郭乙陆 陶邦一 +3 位作者 黄海清 吴超钒 宋宏 冷建兴 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2020年第2期86-91,共6页

针对现有体散射测量系统中激光器与探测器相互遮挡导致探测角度减小的问题,设计了一款新型的水中颗粒物的体散射函数测量系统。首先,通过双潜望式光路结构,将激光发生平面与散射探测平面分离,减小了激光器对探测角度的遮挡;同时,通过潜... 针对现有体散射测量系统中激光器与探测器相互遮挡导致探测角度减小的问题,设计了一款新型的水中颗粒物的体散射函数测量系统。首先,通过双潜望式光路结构,将激光发生平面与散射探测平面分离,减小了激光器对探测角度的遮挡;同时,通过潜望式出射棱镜将透射光导出水体,避免了容器的杯壁散射,提高背散射测量的准确性。根据实际工艺,改进出射棱镜,设计系统样机,实现了3°~178°大角度范围体散射函数的测量。结合系统结构与水下光传输原理,根据数据矫正算法,矫正由于测量光程及水体衰减造成的偏差。对比矫正后结果与米散射仿真结果,证明方法的可靠性。 展开更多

关键词 大角度范围散射测量 水中颗粒 体散射函数 米散射

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基于微流控技术的双颗粒体散射函数测量实验研究 被引量：1

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作者 王宽 夏珉 +3 位作者 于龙 李微 郭文平 杨克成 《光散射学报》 2019年第1期45-53,共9页

本文通过流体力学及COMSOL等仿真软件分析,以PDMS为材料,设计制作了用于捕获两个球形颗粒样品的微流控芯片,并基于光电倍增管(PMT)和电动位移平台,搭建了角度扫描式大动态范围散射光测量装置。该系统可以快速捕获两个球形颗粒,在颗粒捕... 本文通过流体力学及COMSOL等仿真软件分析,以PDMS为材料,设计制作了用于捕获两个球形颗粒样品的微流控芯片,并基于光电倍增管(PMT)和电动位移平台,搭建了角度扫描式大动态范围散射光测量装置。该系统可以快速捕获两个球形颗粒,在颗粒捕获后对微流控芯片内沟道与外轮廓进行折射率匹配,持续测量实际捕获颗粒的1°至170°的散射光。对23.75μm、31.10μm、40.01μm三种粒径的聚苯乙烯标准颗粒样品进行了实验研究,并多次重复测量同一粒径双颗粒的散射光分布。基于微流控芯片的双颗粒体散射函数测量方法可以稳定的捕获、释放双颗粒,实验操作简单且具有较好的重复性,在颗粒物体散射函数研究方面具有很大的潜力。 展开更多

关键词 光散射 颗粒体散射函数 微流控芯片 颗粒团簇散射

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体散射函数测量技术定标方法研究进展 被引量：1

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作者 刘聪 李彩 《遥感学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第2期285-298,共14页

体散射函数描述了光被水体散射后的角度分布特性,是海水固有光学特性之一,在水色遥感、生物光学特性及海气交互过程研究等光学海洋学研究及应用领域具有十分重要的意义。基于其强方向性、大动态范围、后向散射微弱等特点,体散射函数测... 体散射函数描述了光被水体散射后的角度分布特性,是海水固有光学特性之一,在水色遥感、生物光学特性及海气交互过程研究等光学海洋学研究及应用领域具有十分重要的意义。基于其强方向性、大动态范围、后向散射微弱等特点,体散射函数测量技术定标方法及应用研究至今仍在不断探索进步中。伴随体散射函数测量技术的发展,相继出现了基于散射体及散射通量的定标方法、基于漫射体与传感器响应权重函数的定标方法以及基于标准物质与传感器响应权重函数的定标方法等3大类体散射函数定标方法。相较于基于散射体及散射通量的定标方法,基于漫射体与传感器响应权重函数的定标方法可有效解决散射体估算难度大等问题,但更适用于宽视场角的后向散射仪;基于标准物质与传感器响应权重函数的定标方法极大简化了定标过程,且不受散射角度范围的限制。可以预见,上述3大类体散射函数定标方法的变通和组合方案是未来很长一段时间的主要定标方法,而基于标准物质与传感器响应权重函数的定标方法将是未来体散射函数最有优势的定标方法。本文以水体体散射函数定标方法为主线,归纳总结了国内外水体体散射函数定标、测量以及应用研究进展,并对未来体散射函数定标方法的发展趋势进行展望。 展开更多

关键词 体散射函数 定标方法 MIE散射 权重函数 固有光学特性 水色遥感

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太湖秋季水体体散射和散射相函数特征 被引量：1

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作者 黄昌春 李云梅 +1 位作者 孙德勇 乐成峰 《海洋与湖沼》 CAS CSCD 北大核心 2012年第6期1050-1056,共7页

利用Fournier and Forand(FF)体散射函数近似计算方法模拟太湖水体的体散射函数以及散射相函数,进而分析太湖水体体散射函数和散射相函数的特性,以及与波段、深度之间的变化关系,空间分布差异。研究表明,太湖水体体散射函数表现为具有... 利用Fournier and Forand(FF)体散射函数近似计算方法模拟太湖水体的体散射函数以及散射相函数,进而分析太湖水体体散射函数和散射相函数的特性,以及与波段、深度之间的变化关系,空间分布差异。研究表明,太湖水体体散射函数表现为具有极强前向散射特性的大颗粒物散射特征,体散射函数随波段变化的差异性主要体现在后向方向上,散射相函数的变化规律与体散射函数较为相似;而随着深度的变化体散射函数几乎没有变化,但散射相函数表现出了较为明显的层状特征;体散射函数和散射相函数在空间上表现出了较大的差异性,这种差异性随着散射角的增大而不断地加强。 展开更多

关键词 体散射函数 散射相函数 散射系数

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水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量 被引量：7

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作者 王万研 杨克成 +3 位作者 罗曼 郭文平 夏珉 李微 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第3期423-433,共11页

提出了一种水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量方法,采用抛物面镜结合传感器探测方式,同时获取了半球空间内多个散射面所对应的体散射函数。搭建了三维体散射函数测量装置,采用粒径为57~954nm的标准聚苯乙烯颗粒作为样本,获得了方位角0&#... 提出了一种水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量方法,采用抛物面镜结合传感器探测方式,同时获取了半球空间内多个散射面所对应的体散射函数。搭建了三维体散射函数测量装置,采用粒径为57~954nm的标准聚苯乙烯颗粒作为样本,获得了方位角0°~180°对应的多个散射面内的水中颗粒体散射函数,测量的散射角范围为18°~160°。实验结果与计算结果吻合,验证了利用该装置对水体中粒径小于1μm的悬浮颗粒的体散射函数进行测量的可行性。 展开更多

关键词 散射 体散射函数 颗粒 偏振光

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广角水体体散射函数测量技术及其应用研究进展 被引量：6

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作者 徐聪辉 李彩 《遥感学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第6期1078-1090,共13页

水体体散射函数是描述水体中光在各方向散射特性的一个重要的固有光学参数,对水色遥感、水环境监测与保护、海气交互过程研究、水下军事目标跟踪等领域具有十分重要的意义。水体体散射函数测量尤其是覆盖0°-180°范围的广角体... 水体体散射函数是描述水体中光在各方向散射特性的一个重要的固有光学参数,对水色遥感、水环境监测与保护、海气交互过程研究、水下军事目标跟踪等领域具有十分重要的意义。水体体散射函数测量尤其是覆盖0°-180°范围的广角体散射函数测量技术起步较晚,直接测量难度较大,一直以来都是一个棘手的科学难题。本文梳理了国内外广角水体体散射函数测量技术的发展历程,对于广角体散射函数测量技术,从原理上大致可以分为单一探测器转动式、多个固定探测器阵列式以及面阵CCD成像式等3大类,对不同测量原理下的测量技术进行详细分析,并对广角水体体散射函数测量技术在海洋生物光学、气泡跟踪、水色遥感等方面的相关应用进展进行总结和归纳,并对未来广角水体体散射函数的发展趋势和应用前景进行展望。 展开更多

关键词 广角 体散射函数 测量技术 水色遥感 水环境监测

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可见光和红外波段大气体散射强度特性 被引量：18

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作者 李浩 孙学金 唐丽萍 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2011年第4期328-332,共5页

搜集整理了气溶胶、雾和雨的观测资料,运用米氏理论计算并分析了大气体散射强度特性.结果表明:大气体散射能量主要集中在前向较窄的散射角区间内,体散射相函数随散射角的分布取决于粒子尺度谱、波长和复折射指数,不同类型粒子体散射相... 搜集整理了气溶胶、雾和雨的观测资料,运用米氏理论计算并分析了大气体散射强度特性.结果表明:大气体散射能量主要集中在前向较窄的散射角区间内,体散射相函数随散射角的分布取决于粒子尺度谱、波长和复折射指数,不同类型粒子体散射相函数随散射角的分布特性有较大的差异;大气单散射反照率受波长和复折射指数虚部影响,其值范围变化较大,相同波长下城市气溶胶单散射反照率小于雾,城市气溶胶和雾的单散射反照率随波长增大而减小. 展开更多

关键词 可见光 红外 大气 体散射相函数 单散射反照率

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水体颗粒广角度偏振体散射测量研究

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作者 潘耀瑞 陶邦一 +2 位作者 吴超钒 毛志华 黄海清 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第18期378-388,共11页

针对国内尚没有大角度范围的水体颗粒偏振体散射函数测量仪的问题,基于潜望镜式光路结构与旋转偏振探测器的探测方式,建立了水体颗粒偏振体散射特性测量系统,验证了采用半衰片胶合方式的出射棱镜对大角度偏振体散射特性测量的适用性,实... 针对国内尚没有大角度范围的水体颗粒偏振体散射函数测量仪的问题,基于潜望镜式光路结构与旋转偏振探测器的探测方式,建立了水体颗粒偏振体散射特性测量系统,验证了采用半衰片胶合方式的出射棱镜对大角度偏振体散射特性测量的适用性,实现了10°~170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵的测量。对系统开展了角度、幅值及偏振标定,根据系统结构和水下传输原理进行了散射光程归一化和水下衰减矫正。实验结果表明,3μm直径聚苯乙烯标准颗粒测量结果与理论计算值吻合良好,证明了该套系统的可靠性。同时在千岛湖自然水体对该套系统进行了测试验证,获得的水体颗粒物10°~170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵测量结果表明偏振体散射特性能够提供更丰富的颗粒特性信息。 展开更多

关键词 水体颗粒 偏振 穆勒矩阵 体散射函数

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水下光场的迭代求解 被引量：3

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作者 何大华 李阳阳 周少杰 《中国光学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第2期297-305,共9页

水体对光线的散射是水下图像质量劣化的重要因素,为了定量分析在特定光源照射下水体散射的影响,建立了光线水下传输的散射模型,以此为基础推导出求解水下光场分布的Fredholm积分方程。在水中光线能量随距离的增大呈指数规律衰减,基于此... 水体对光线的散射是水下图像质量劣化的重要因素,为了定量分析在特定光源照射下水体散射的影响,建立了光线水下传输的散射模型,以此为基础推导出求解水下光场分布的Fredholm积分方程。在水中光线能量随距离的增大呈指数规律衰减,基于此,在水体体散射函数为常数的情况下,给出了有边界条件时该积分方程的数值迭代求解方法,得到高精度的水下光场分布。以太阳、均匀亮度天空、水下点光源以及空中点光源为例,分别给出了水面平静时的水下光场的计算结果。该求解方法可推广应用于任意光源配置、任意边界条件下的水下光场分布,为严格推导水体点扩展函数及调制传递函数奠定了基础。 展开更多

关键词 水下光电成像 水下光场 球面照度 体散射函数 FREDHOLM积分方程 数值计算

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ADS1262多通道数据采集系统设计 被引量：11

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作者 徐聪辉 李彩 张振昭 《中国测试》 CAS 北大核心 2019年第9期112-117,共6页

为配合高灵敏度硅光电倍增管实现10°~170°范围17个角度水体体散射函数及衰减系数的宽动态范围、高灵敏度同步测量,设计一种基于10通道32 bits模数转换器ADS1262和STM32系列单片机的20通道数据采集系统,结合体散射函数测量的... 为配合高灵敏度硅光电倍增管实现10°~170°范围17个角度水体体散射函数及衰减系数的宽动态范围、高灵敏度同步测量,设计一种基于10通道32 bits模数转换器ADS1262和STM32系列单片机的20通道数据采集系统,结合体散射函数测量的具体应用需求及ADS1262自身的结构功能特点,介绍数据采集系统的硬件结构及软件设计,并对ADS1262的滤波模式、采样速率进行实验优化选择。实验结果表明:ADS1262采用1 200 S/s、sinc3滤波模式配置时,完成20通道A/D转换频率可达10 Hz,ADS1262有效位可达23 bits。单通道2.5 S/s采样速率,sinc4滤波模式下,有效位数可达26 bits。整套系统具有高精度、低功耗、小体积、高可移植性等特点,适用于各种宽动态范围模拟信号的量化处理及存储。 展开更多

关键词 数据采集系统 体散射函数 ADS1262 STM32 多通道

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