海洋懸浮粒子的米氏散射特性及布里淵散射特性研究.pdf

1、海洋懸浮粒子的光學(xué)散射特性不僅直接影響激光在海水中的傳輸特性，而且是海洋環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)的重要理論基礎(chǔ)。當(dāng)一束光射入海水中時(shí)，經(jīng)過光與海水的相互作用，會(huì)發(fā)生彈性散射和非彈性散射。彈性散射光沒有發(fā)生頻移變化，但是散射特性與入射光的波長(zhǎng)、海水的屬性以及海水中懸浮粒子的大小、密度等有關(guān)。在海水中引發(fā)光彈性散射的散射元主要是海水水分子和海洋懸浮粒子等。彈性散射主要包括瑞利散射、米氏散射和無(wú)選擇性散射三類，其中海水中水分子主要引起的是瑞利散射，而海洋

2、懸浮粒子主要引起的是米氏散射。通過研究海洋懸浮粒子的米氏散射特性，可以得到海水中各種懸浮粒子的大小、密度等信息。光與海水產(chǎn)生的另一類散射是非彈性散射，這類散射存在散射光的頻率相對(duì)于入射光的頻率發(fā)生移動(dòng)。非彈性散射又分為兩類：拉曼散射與布里淵散射。拉曼散射與物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而布里淵散射實(shí)際上是由多普勒效應(yīng)引起的，它和海水中的溫度和鹽度等密切相關(guān)。通過分析海洋懸浮粒子的布里淵散射特性，可以構(gòu)建海洋懸浮粒子水體的溫度和鹽度檢測(cè)模型。

3、>　　 通常情況下，海水中水分子比光波波長(zhǎng)小很多，可以用瑞利散射理論來描述其散射特性；而海洋懸浮粒子主要包括浮游植物和非色素懸浮粒子這兩大類，其粒子的密度、大小、分布極其復(fù)雜，還沒有嚴(yán)格的描述理論。目前，利用瑞利散射理論研究水分子的散射特性已經(jīng)比較成熟，而針對(duì)海洋中浮游植物散射系數(shù)的研究，較多的采用基于葉綠素濃度的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算其散射系數(shù)的大小，具有一定的不準(zhǔn)確性，同時(shí)通過經(jīng)驗(yàn)公式難于分析其散射系數(shù)特性；針對(duì)海洋中復(fù)雜的非色素懸浮粒子

4、，也主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算其散射系數(shù)，目前還有很多不成熟的地方。同時(shí)，描述海水中浮游植物和非色素懸浮粒子等海洋懸浮粒子后向散射率特性的嚴(yán)格理論還不存在，使得其后向散射率的具體數(shù)值一直難于計(jì)算。
　　 本文針對(duì)上述問題重點(diǎn)利用等效球的米氏散射理論分析研究了海洋懸浮粒子的散射特性，首先提出了利用散射效率因子來計(jì)算海洋懸浮粒子散射系數(shù)的公式，解決了浮游植物和非色素懸浮粒子等海洋懸浮粒子散射系數(shù)計(jì)算不準(zhǔn)確的問題，同時(shí)還可以有效分析其散射

5、系數(shù)特性。接著，提出了利用散射相函數(shù)來計(jì)算浮游植物和非色素懸浮粒子等海洋懸浮粒子后向散射率的公式，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出海洋懸浮粒子后向散射率的大小，而且還可以有效的分析其后向散射率特性。
　　 目前，利用布里淵散射技術(shù)檢測(cè)海水溫度是通過檢測(cè)海水中布里淵散射信號(hào)的頻移量來實(shí)現(xiàn)的，在這一過程中，通常是假定海水鹽度為一定值，這樣就存在較大的測(cè)量誤差，同時(shí)還不能夠測(cè)量海水的鹽度信息。本文在分析海洋懸浮粒子布里淵散射特性的基礎(chǔ)之上，引入了布里

6、淵散射信號(hào)功率這一變量，利用布里淵散射信號(hào)的頻移量和功率兩個(gè)參量分別建立了海水溫度和鹽度檢測(cè)的理論模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海水溫度和鹽度的檢測(cè)。通過對(duì)布里淵散射激光雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的研究，針對(duì)470nm到550nm光譜區(qū)域范圍內(nèi)的碘127分子吸收濾波器吸收譜線進(jìn)行了仿真，并在此范圍內(nèi)尋找合適的吸收譜線，完成了整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)鑒頻器的設(shè)計(jì)，分析了滿足探測(cè)需要的激光單穩(wěn)頻指標(biāo)，在此基礎(chǔ)之上，選擇了合適的探測(cè)激光器。
　　 文章結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)，

7、對(duì)該研究應(yīng)用于海洋懸浮粒子的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了仿真分析。針對(duì)海洋赤潮的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，文章以探測(cè)海洋赤潮密度信息為基礎(chǔ)，以檢測(cè)海洋赤潮水體溫度、鹽度兩個(gè)參量為輔助，不僅從本質(zhì)上解決了懸浮泥沙和水分子對(duì)回波信號(hào)的影響，而且利用多個(gè)參數(shù)更加準(zhǔn)確、直接的反映出赤潮消長(zhǎng)的有關(guān)信息，比單參數(shù)預(yù)報(bào)方法有更高的預(yù)報(bào)精度，為實(shí)際海洋赤潮的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。針對(duì)入海口懸浮泥沙顆粒的檢測(cè)應(yīng)用，文章利用藍(lán)綠激光能夠穿透渾濁的海水，有效的檢測(cè)海洋懸浮泥沙顆粒