散射影响下海水复折射率的测量方法研究

Complex refractive index is an important physical property of seawater, whose real part and imaginary part can be converted to the salinity and absorption coefficient respectively, and its measurement is required in oceanographic investigation and observation, ocean remote sensing and underwater detection applications. Light scattering is a common phenomenon in refractive index measurement of seawater, and it has important impact on the measurement result. Under the scattering influence, in-situ measurement of the two parts of complex refractive index of seawater is a hot research focus. This project proposes an innovative research scheme: study the effect mechanism of scattering in the measurement of complex refractive index of seawater, with comprehensive utilization of differentiation method and curve fitting technology, achieve the simultaneous measurement with one instrument for the two parts of complex refractive index of seawater from the obtained reflectance. Some research contents are investigated theoretically and experimentally, such as Monte Carlo simulation for the reflecting light with scattering light, distributing characteristics of scattering light and improvement for reflectance equation, the image processing and data analysis for the obtained reflectance. Two important scientific problems are solved, such as the reflectance model including scattering light and the measurement method of complex refractive index of seawater. It will provide a new method for in-situ measurement of seawater optical parameters applied in the marine environment.

复折射率是海水的重要物理性质，通过它的实部和虚部可分别获得海水的盐度和吸收系数，该参数的测量在海洋监测与调查、海洋遥感、水下探测等领域有重要意义。散射是海水折射率测量中不可避免的现象，将直接影响复折射率测量结果。考虑散射的影响，实现海水复折射率的快速现场测量是海洋光学参数测量中的重要课题。光散射对复折射率测量的影响目前缺乏相关理论研究。本项目提出了“研究海水复折射率测量中散射光对反射光分布的影响机理，综合利用微分法和曲线拟合法，通过获取反射光分布实现一个装置同时测量海水复折射率实部和虚部”的创新性研究方案。开展包含散射光影响的反射光分布蒙特卡洛仿真研究，基于散射光分布规律的改进菲涅尔反射率曲线研究，反射光图像处理和数据分析方法研究等研究，并进行相关的实验验证。从中提炼出包含散射影响的反射光场仿真模型，海水复折射率测量方法等关键问题，为研制应用海洋环境中的海水复折射率现场测量提供新的方法。

海水的复折射率的测量是海洋光学的重要研究方向。复折射率的测量能够同时获取海水的两个重要参数：盐度与吸收系数。现有的折射率测量方法只能获得复折射率的实部，无法通过一次测量获取多个参数。考虑海水的复杂性，本项目对海水的复折射率的测量方法进行了探究。.首先，基于折射率测量原理，完成了吸收物质折射率实部的准确测量。对于复折射率的液体，虚部主要是散射与吸收。根据菲涅尔反射曲线，提出了基于小角度光强测量的吸收液体复折射率实部的测量方法。实验验证该测量方法对墨水和茜素黄等溶液的折射率实部的测量都有比较准确的结果。.然后，从复折射率虚部的另一个影响因素散射出发，通过蒙特卡洛方法，研究了微小颗粒对于入射光散射的影响。水体中不同尺度的颗粒物，其散射光特征不同，对面阵接收器的测量结果将会带来不同的影响。通过研究所测量水体中颗粒物的尺度分布，将可以预估并消除这部分散射光对折光计测量结果的影响。.最后，针对现场海水测量环境研制了在可用于船载走航式折光计。并根据船只航行过程中环境复杂的特点，提出了自参考测量技术，来适应复杂振动的测量环境，优化折光计的抗干扰能力。最后，基于此装置我们参加了两次基金委的共享航次，进行了2016年渤黄海走航式折射率测量实验以及2017年长江口走航式盐度测量实验，实现了对海水折射率特性多种方式的现场测量，取得了比较理想的测量结果。.从以上这些研究成果可以看出，我们按计划实施了本项目，即从基本的折射率测量理论出发，提出了海水复折射率测量的新方法，设计并搭建了一套基于此方法的海水折射率现场测量装置，并最终实现海洋环境监测进行实时现场测量的目的。