[发明专利]自然水体离水辐射偏振高光谱现场原位观测装置及方法

说明书

本发明提供一种自然水体离水辐射偏振高光谱现场原位观测装置及方法，解决现有离水辐射偏振信号观测精度较差的问题。该装置包括传感器固定座、遮光罩、水体辐亮度传感器和线偏振器；遮光罩为圆锥形套管结构，其一端与传感器固定座连接，用于抑制水面反射的天空漫射光进入测量光路；线偏振器设置在水体辐亮度传感器的入瞳口处，在可见光和近紫外波段均具有高透过率和超过99％的偏振效率，且各线偏振器的偏振角度不同；水体辐亮度传感器设置在传感器固定座上，且位于遮光罩内，其视场角小于遮光罩的视场角，用于采集不同偏振角度的离水辐射偏振信号。

技术领域

本发明涉及海洋水色遥感领域，具体涉及一种自然水体离水辐射偏振高光谱现场原位观测装置及方法。

背景技术

海洋水色遥感技术已成为全球尺度监测海洋环境变化的重要技术手段，但目前水色遥感信息反演仍存在较大的不确定性，特别是针对近岸复杂光学特性水体。传统的水色遥感是建立在离水辐射总辐亮度的框架下，总辐亮度对水体组分的吸收、散射特性变化敏感，但其对海洋粒子的微观光学性质(粒径大小、形状、折射指数、粒径谱分布等)并不敏感，给海洋水色遥感定量化反演带来较大的不确定性。

海洋偏振遥感是解决上述问题的一种有效途径。水体偏振特性由颗粒物的微观性质决定，特别是粒子偏振散射。由于大气分子、气溶胶粒子、水色要素的吸收和散射作用，以及海气界面的折射、反射作用，可见光(自然光)在海洋-大气耦合系统传输过程中偏振特性会发生改变，其变化模式和程度由水体光学特性决定。因而，离水辐射偏振信号携带着丰富的水色要素信息，是传统海洋水色遥感的有益补充，在一定条件下可用于水色要素信息的定量化反演。一方面，离水辐射偏振遥感反射率可提高无机颗粒物的反演精度；另一方面，利用上行辐射偏振度可直接反演水体固有光学参量(吸收衰减比)，且离水辐射多角度及偏振信息的引入提高了水体后向散射系数、散射系数的反演精度。

但是，在传统遥感应用过程中，作为离水辐射独立属性的偏振却往往被忽略，为满足海洋水色传感器0.5％的精确辐射定标要求(替代定标后)，水色传感器的偏振响应度需小于2.5％，离水辐射偏振信息仅被当作噪声校正或者设置消偏器加以消除。目前为止还没有专门针对离水辐射偏振特性进行探测的海洋水色卫星传感器。此外，由于水下偏振光谱仪器缺乏，以及现场偏振光谱测量过程中存在的诸多困难，中国近海、湖泊等自然水体偏振光学现场原位测量工作开展较少，水体偏振光谱资料积累较少。

目前，可利用水面之上法获取自然水体离水辐射信号，该方法分别获取水面反射的总信号(包含离水辐射和天空漫射光反射信号)和天空漫射光，测量观测几何为方位角135°、高度角40°左右，以避免绝大部分的太阳光直射反射，并减少船舶阴影的影响。测量水面反射的总信号时，传感器与水面相对设置，测量天空漫射光时，传感器与天空相对设置，水面反射的总信号扣除天空漫射光反射信号后获得离水辐射。但是，该方法具有以下几方面的缺陷：1、由于海面粗糙度的变化，使得天空漫射光的测量误差较大，且测量观测几何不易控制；2、扣除天空漫射光反射信号时，气－水界面反射率在0.025～0.035之间，在平静海况下，推荐一般采用0.028，但气－水界面反射率系数随海况(风速、观测几何角度)变化较大，因而天空漫射光反射信号扣除不彻底，离水辐射测量精度较差，特别是近红外波段；3、大气光学特性变化显著，天空漫射光在测量过程中具有较大的不确定性，使得测量结果也具有不确定性；4、利用水面之上法测量离水辐射偏振信号需要同时测量水体和天空漫射光的Stokes矢量参数，该方法为间接获取离水辐射偏振信号，且测量过程繁琐。因此，由于海表面反射的天空漫射光的污染，水面之上法测量离水辐射及其偏振信号精度较差，严重制约着海洋水色偏振遥感的研究进展。

发明内容

本发明的目的是解决现有离水辐射偏振信号观测精度较差的问题，提供一种自然水体离水辐射偏振高光谱现场原位观测装置及方法。该装置系统地测量离水辐射偏振光谱信号，实现自然水体离水辐射紫外、可见光、近红外波段偏振高光谱数据的高精度现场原位测量，丰富自然水体偏振光谱实测数据资料，进而研究不同光学特性的自然水体离水辐射偏振特性变化规律，理清水色要素及固有光学特性对离水辐射偏振特性的影响。