[发明专利]一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统

说明书

一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，其特点包括激光发射器、散射体、离轴抛物面反射镜、非球面透镜组、小孔光阑、CMOS偏振敏感相机以及计算机，散射体位于离轴抛物面反射镜的焦点处。入射激光入射到散射体上，透射激光经过离轴抛物面镜反射面通孔穿过背面通孔，散射体的前向小角度散射光经离轴抛物面反射镜反射变换为平行光束，再经过非球面透镜组准直后由CMOS偏振敏感相机接收。根据前向散射角与CMOS像素点位置的对应关系，即可获得水体不同方位角散射平面上的前向小角度体积散射函数。本发明专利所提出的测量系统可以用于测量水体前向小角度三维体积散射函数。

技术领域

本发明属于海洋光学领域，具体涉及一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统及其测量方法。

背景技术

海洋水体主要组分包括纯水、可溶盐、悬浮颗粒物以及可溶有机物，因此海洋光学是研究海洋水体的光学参数特性、光在海洋水体组分之间的相互作用、光在海洋水体中的传输规律以及光学现象，属于物理海洋学和光学的交叉学科领域。叶绿素、黄色物质(CDOM)、悬浮颗粒物作为海洋水色三要素，是影响海洋光学性质的重要因素，而在海水中，引起光散射的主要对象就是海水的水分子和海水悬浮颗粒物，海水悬浮颗粒物的光学散射特性能够影响激光在海水中的传输特性。海水光学散射的测量可以用于计算更为准确的海水散射系数，可以改善海洋水色遥感的反演模型，提高反演精度。

体积散射函数(VSF)是水体的一个很重要的固有光学性质(IOPs)，物理意义表示为单位体积内、单位入射辐照度的散射强度；通过体积散射函数可获得水体的所有固有光学特性参数。然而水体的散射测量，尤其是体积散射函数和散射相函数更是国际难题。海水的散射测量比吸收测量要困难得多，主要原因有三点：其一，散射角度从0.1°变到90°的过程中，散射强度的变化大约有五、六个数量级；其二，固定角度散射强度在不同的水样中的变化也有两个数量级；其三，前向小角度散射(θ1°)和后向小角度散射(θ179°)的测量尤其困难。前后向小角度散射的测量虽然困难，但对水体散射的研究又具有特别的意义，由于几乎一半的散射强度集中在前向小角度的范围内，前向小角度的准确测量对于通过积分获得散射系数b就至关重要，而且由于水下成像的理论与水体散射理论和粒子光学特性都息息相关，前向小角度散射的研究对于水下成像很重要，后向小角度散射的对于激光遥感应用也非常重要。1972年，PETZOLD研制了第一台前向小角度体积散射函数测量仪，利用衍射原理使用不同规格的环形光阑，能够测量0.1°-10°范围内前向小角度散射，PETZOLD所获取的前向小角度体积散射函数数据至今仍再被使用。目前市面上成熟的前向小角度散射测量系统商业化产品主要以LISST系列测量仪为代表，其前向小角度散射测量原理也是基于衍射原理，利用同心圆环形探测器测量不同角度的前向散射，比如LISST-VSF系列能够测量0.1°-15°内的前向散射信号。

由于激光在海水中传输时，大多数的散射光能量集中在海水的前向小角度散射光中，尤其是集中在沿激光传输方向的前向小角度散射光附近，在0°-5°范围内的前向小角度散射光就占散射光能量的50％以上，因此，精确的测量海水的前向小角度散射对计算海水总的散射系数，提高海洋水色遥感的反演精度具有重要意义；此外，海水的前向小角度散射测量对水下光学成像具有重要意义。而目前应用较为广泛的前向小角度散射测量仪主要依赖于美国SEQUOIA公司的LISST系列产品，国产化的前向小角度散射测量仪应用较为稀少，因此有必要提出一种具有国内知识产权的水体前向小角度散射测量系统与方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，该测量系统能够测量水体的前向小角度散射信号。本发明还提供了一种基于该前向小角度水体三维体积散射函数测量系统的测量方法。