渤海固有光学量高光谱遥感反演

水体固有光学量是重要的海洋光学参数,是辐射传输模型最基本的输入参数,对于海洋光学遥感和水色研究具有重要意义。基于2005年渤海高光谱实测遥感反射率和总吸收系数数据,首次利用非线性最小化优化模型,反演水体总吸收系数等固有光学量。经过实测数据的检验,412,440,510,555,650和676 nm波段总吸收系数的反演平均相对误差分别为33.8%,20.4%,27.7%,37.5%,9.5%和10.8%。模型误差源主要为模型参数的不确定性和测量误差,通过讨论发现,光谱斜率S对总吸收系数的反演影响相对较少,而光谱指数Y导致的反演误差是不可忽略的。模型适用于高光谱数据,填补渤海固有光学量的最优化反演研究的空白,并可用于高光谱遥感数据的固有光学量遥感反演研究。     

基于固有光学量的高光谱数据反演城市河网水质

水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础,水体固有光学量由水体组成决定,与水体表面光场无关。基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果,但是缺乏物理意义;基于生物光学模型的分析算法,针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、空间分布异质性强、水体细小、流动性大等特点,利用高光谱数据,研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型,对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法,以获取水体固有光学量,改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面;计算参考波段总吸收系数、颗粒物后向散射系数等固有光学量,得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数;对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析,构建叶绿素a水质浓度反演模型,对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析,构建悬浮物水质浓度反演模型。针对内陆河网Ⅱ类水体,以典型的河网城市嘉兴市为研究区域,获取了研究区域航空高光谱数据,以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据;利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演,对比分析两个算法并结合城市河网水体特点,提出改进QAA算法;利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演,基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型,反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71;并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据,对反演结果进行验证分析。通过水质参数浓度反演值与实测值的对比,叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%,反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图,也与城市河网的特点和实际情况相符,为城市河网水质监测提供方法和模型参考。     

光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量的影响

颗粒后向散射系数是水体主要的固有光学特性,也是海洋水色的决定因子和海洋水色卫星遥感反演的基础参数。当前,利用光学仪器现场原位测量是获取水体颗粒后向散射系数的主要方法。由于光源自身和仪器光路中镜面反射和折射,其出射光源可能存在一定的偏振,进而会影响水体后向散射系数测量的精度。目前,关于水体后向散射系数测量仪器的光源偏振性及其对颗粒后散射系数测量精度影响的研究尚为空白。针对该问题,以应用广泛的水体后向散射测量仪HydroScat6(HS-6)为例,对其出射光源的偏振特性进行了系统测量,并进一步开展了光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量精度影响的实验研究。结果表明,HS-6六个光学通道除590 nm通道出射光源偏振度略低外(~15%),其他通道出射光源中心波长偏振度均在20%~30%。因此,HS-6出射光源具有显著的偏振特性。光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响,且影响程度随着波段,线偏振角度及悬浮泥沙浓度而变化。不同悬浮泥沙浓度下,光源偏振引起的420,442,470,510,590和670 nm六个波段的平均偏差可达15.49%,11.27%,12.79%,14.43%,13.76%,12.46%。因此,利用光学仪器现场测量颗粒后向散射系数需要考虑光源偏振的影响,并需尽可能降低出射光源的偏振度。     

赤潮生消过程中的水体固有光学性质分析

在珠江口海域海洋光学浮标实验中获取一次聚生角毛藻赤潮生消过程的水体光学数据和相应的生化数据.利用该数据,分析了赤潮生消过程中水体光谱吸收和后向散射等光学性质的时间序列变化.研究发现,在赤潮生消过程中,浮游植物色素、非藻类颗粒物以及黄色物质等水体组分吸收变化显著,赤潮爆发期各组分光谱吸收增强并达到最大值,赤潮消亡期各组分...     

水体组分光谱耦合效应研究

自然水体不同组分光谱之间存在复杂的耦合作用机制,由此导致水体光学特性的高度复杂性,给水质参数遥感反演带来了很大的不确定性,目前对此缺乏系统性认识。基于水体光学Monte Carlo高光谱模拟,研究了典型可遥感水质参数叶绿素a(Chl.a)、总悬浮物(TSM)与黄色物质(CDOM)光谱特征之间的耦合效应。结果表明：水体组分之间的光学影响具有不对等性;Chl.a与CDOM的存在不影响TSM信息提取时特征波段的选择;由Chl.a主导的水体对TSM的信息提取影响甚微,而TSM对Chl.a反射光谱产生的影响非常显著。随着TSM浓度不断增加,Chl.a的浓度对反射率的响应不断减弱,当TSM浓度达到一定水平时,Chl.a的反射光谱对其浓度的变化完全失去响应。即使在Chl.a敏感的特征波段670 nm,当TSM较高时,其光学特性可完全湮没Chl.a的光谱响应,使得在高浓度TSM的水体中提取Chl.a的浓度信息非常困难。CDOM的存在使得蓝绿波段比值算法在Chl.a在中高浓度时失效;由TSM主导的水体比由Chl.a主导的水体对CDOM的光学影响更为显著,TSM对于短波区域CDOM的光学特性具有更强的抑制性。研究结果可为水质遥感波段的选取、水体组分反演算法的适用浓度范围及水色卫星传感器的波段设置等方面提供了理论基础,尤其对于二类水体水质遥感的发展具有较大的促进作用。     

中国近海典型海区表观光学特性分析与研究

受陆源物质的输入、海底地形、季节性海流等多因素影响,中国近海水体的光学特性复杂,且部分要素有着明显的区域性和季节性的变化特点.利用“我国近海海洋综合调查与评价专项”中的光学调查资料,给出了以表观光学特性为主的中国近海水体分类的结果,分析了中国近海典型海区表观光学特性的主要要素的季节性和区域性的变化特点及其成因.     

太湖水体反射率的光谱特征波长分析

水体反射率的光谱特征波长分析是解决内陆水色遥感难题的一项重要的基础工作.该文分析了2006-2009年七次太湖综合实验获取的312个采样点遥感反射率,找出反射率曲线出现极大值、极小值、由凹向凸转变的拐点、由凸向凹转变的拐点对应的特征波长,给出了太湖水体反射率350～900nm范围内的光谱特征波长:359,440,464,472,552,566,583,628,636,645,660,676,689,706,728,791,806和825 nm.最后用浮游植物色素的吸收光谱、太湖水体特有的组成成分解释了特征波长.文章分析特征波长的方法,对于各种光谱曲线的特征波长分析都适用,该方法能够有效地区分曲线峰值所在波长和谷值所在波长重叠的情况.该文的研究成果有利于建立反演水质参数的算法,从而提高反演算法的精度.     

基于扩散理论的生物组织固有荧光光谱复原方法研究

组织固有荧光光谱定义为未受生物组织吸收、散射作用影响的荧光光谱,能够直接反映组织微观结构和生物化学性质信息。为了减少吸收和散射特性对组织荧光光谱的干扰,从实测的组织荧光光谱中复原更能反映组织荧光特性的组织固有荧光光谱,搭建了基于光纤探头的组织光谱测量系统,实现生物组织相同位置处的荧光光谱和漫反射光谱测量。提出运用扩散理论从实测的漫反射光谱中提取组织生理参数,包括组织中血液体积分数、血氧饱和度、黑色素含量以及波长500 nm处约化散射系数和瑞利散射在总散射中的比例,进而计算可见波段范围内的组织光学参数;然后,根据组织光学参数和实测的漫反射光谱,从实测的荧光光谱中复原得到组织固有荧光光谱。进行临床试验验证,采集受试者皮肤组织荧光光谱与组织漫反射光谱,并复原皮肤固有荧光光谱。通过复原得到的固有荧光光谱反映人体皮肤糖基化终产物积聚量,并最终用于糖尿病无创筛查。结果显示,分别使用实测的荧光光谱和复原得到的固有荧光光谱用于糖尿病筛查时,在特异性水平同为75%时,敏感性分别为69%和90%。     

近红外波段二类水体悬浮物生物光学反演模型研究

通过野外高光谱仪对二类混浊水体进行光谱测量,分析了400～1 200 nm范围内的水体光谱特性。显示高浓度悬浮物含量对水体总的反射率贡献较大,在近红外波段处的808和1 067 nm存在较为明显的悬浮物反射峰。基于对水体固有光学特性参数在近红外波段范围内的简化条件,建立了反演悬浮物浓度的生物光学模型经验公式,并通过与线性和指数反演公式的对比,进行了模型反演精度评价。分析结果表明,基于近红外波段的生物光学模型反演精度较高,可有效地提取二类混浊水体的悬浮物浓度信息。     

基于双光路原理的海水IOPs高光谱测量仪方案

设计了基于双光路原理的海水固有光学参数测量仪。该仪器可同步测量水体光谱吸收系数a、光束衰减系数c和体散射系数b。其中吸收系数a采用反射式吸收管测量,光束衰减系数c采用全吸收式样品池测量,体散射系数b根据c=a+b计算。光信号由光纤收集、光谱仪分光后用CCD探测器测量。光谱分辨率为4nm,灵敏度为0 001m-1。该仪器直接在水下工作,由水泵抽取被测海水,水下最大工作深度为200m。测量数据可以自动记录,同时也可以通过水下电缆实时传输到调查船实验室。     

Improved method to retrieve aerosol optical properties from combined elastic backscatter and Raman lidar data

Two methods to load a microtrap consisting of two concentric microwire loops of radii 300 and 660 μm carrying oppositely oriented currents are demonstrated. Atoms can be directly loaded into the microtrap from a surface magneto-optical trap or alternatively using a far-off resonance optical dipole trap (FORT) as an intermediate step. About 1 × 10^{5 87}Rb atoms can be loaded into the microtrap using either technique although the FORT achieves a lower temperature. The FORT is well suited to loading a linear array of 3 microtraps that are aligned with the propagation direction of the infrared laser. Atoms can be trapped in either the $5S_{1/2}\;F=1$ or 2 ground state hyperfine level. The position of the microtrapped atom cloud can be precisely adjusted using a bias magnetic field over a distance of 350 to slightly <50 μm from the atom chip surface.     

用光声技术研究半导体TiO2,ZnO纳米晶粉的光学特性

应用新型的光声光谱技术,研究了不同种类和不同制备工艺条件的半导体纳米晶粉的光学特性,测量了半导体TiO2、ZnO和掺铝ZnO纳米晶粉的光声光谱,获得了这些半导体纳米晶粉的带隙和光谱吸收系数.研究结果表明,相同种类和相同颗粒形状的半导体纳米晶粉的粒径越小,光学吸收系数越大.半导体纳米晶粉的带隙与相同种类纳米颗粒形状(圆球...     

用远场法研究自由旋气动窗口的光学特性

采用He-Ne激光,对穿过自由旋气动窗口的远场聚焦光斑进行图象采集和数据处理,研究本气动窗口对透过其输出通道的激光束所带来的偏转和随机抖动现象,计算分析气动窗口对激光束发散特性的影响,定义和实验研究气动窗口的光束质量β因子。同时,分析讨论气动窗口对激光束远场聚焦光斑光强分布的影响,并提出气动窗口光束质量和气动窗口设计的进一步研究思路。     

用远场法研究自由旋气动窗口的光学特性

 采用He-Ne激光,对穿过自由旋气动窗口的远场聚焦光斑进行图象采集和数据处理,研究本气动窗口对透过其输出通道的激光束所带来的偏转和随机抖动现象,计算分析气动窗口对激光束发散特性的影响,定义和实验研究气动窗口的光束质量β因子。同时,分析讨论气动窗口对激光束远场聚焦光斑光强分布的影响,并提出气动窗口光束质量和气动窗口设计的进一步研究思路。     

The effects of the ocean surface wave spectrum on low frequency ambient noise in deep water

An ocean surface wave spectrum which is used for low frequency ambient noise in deep water is proposed. It explains the mechanism of low frequency ambient noise from the theoretical relation between the spectrum of sound pressure and wave. Combining the surface wave spectrum and local wind speed in deep water, a theoretical expression of low frequency ambient noise is obtained with wave generated noise theory. Simulation results show that the wave spectrum is crucial to the intensity and the spectral slope of radiated noise spectrum,and the theoretical noise spectrum could be used to predict the ambient noise in deep water.The predicting results axe verified through the experimental data recorded by an ocean bottom seismometer that was deployed on the floor of deep water in April 2016. It is observed that the statistical noise levels from the experimental data for frequencies from 1 Hz to 100 Hz are larger than 70 dB, and the low frequency ambient noise spectrum follows the shape of inverted"N",the valley of noise spectrum is at 3-4 Hz, and the noise intensity is 70 dB. The peak of noise spectrum is at 50 Hz, and the noise intensity is 92 dB. The correlation coefficient is 0.95 between the model spectrum and measured data.     

海面波浪谱对深海低频环境噪声的影响

提出了一种适用于深海低频环境噪声的波浪谱,通过声压谱和波浪谱的理论关系,分析了深海低频噪声在百赫兹以下的谱特征,解释了不同频段噪声谱的主要产生机理。将深海传播条件下海面波浪谱与海面风速相结合,利用波浪发声理论得到一种低频海洋环境噪声理论表示方法。仿真结果表明,波浪谱决定着辐射噪声谱的强度和斜率,本模型得到的理论噪声谱可以对低频海洋环境噪声进行预报。2016年的深海实验观测数据分析显示,统计的环境噪声谱级在1 Hz至100 Hz频段范围内大于70 dB,并且噪声谱在低频段呈倒“N”型,在3⁴ Hz处为噪声谱的谷值,噪声级为70 dB,在50 Hz处为噪声谱的峰值,噪声级为92 dB,通过理论计算和实验对比,相关系数为0.95,理论结果和实验测量对比结果符合较好。     

Resolving the optical spectrum of water: coordination and electrostatic effects

The optical absorption of small water clusters, water chains, liquid water, and crystalline ice is analyzed computationally. We identify two competing mechanisms determining the onset of the optical absorption: Electronic transitions involving surface molecules of finite clusters or chains cause a redshift upon molecular aggregation compared to monomers. On the other hand, a strong blueshift is caused by the electrostatic environment experienced by water monomers embedded in a hydrate shell. Concerning the recent dispute over the structure of the liquid, the present results support the conventional fourfold coordinated water, as obtained from ab initio molecular-dynamics simulations.