第30卷第2期2011年6月海洋技术OCEAN TECHNOLOGYVol.30，No.2Jun，2011基于FTF/T-R法的水体后向散射系数测量方法研究杨安安1，周虹丽1，陈利博2，朱建华1（1.国家海洋技术中心，天津300112；2.大连海洋大学，辽宁大连116023）摘要：文章给出了一种利用FTF/T-R方法的操作原理并结合算法获得水体悬浮颗粒物后向散射系数的方法。

通过该方法对藻类样品和悬浮泥沙样品的后向散射系数进行测量，样品的转移效率超过92.2%，悬浮泥沙样品后向散射系数光谱曲线呈现幂指数曲线特征。

利用该方法对标准颗粒物进行测量，其实际测量值与理论计算值的对比结果显示：380～480nm波长范围内，两者的相对标准偏差为21%，480～565nm两者的相对标准偏差为9.7%，565~ 680nm实测值大于理论值，证明该方法对于测量水体后向散射系数是一种可行的方法。

关键词：后向散射系数；FTF/T-R法；悬浮颗粒物中图分类号：TP722.4文献标志码：A文章编号：1003-2029（2011）02-0022-06水体吸收系数和散射系数是水体固有光学特性中的重要参数。

其中后向散射部分的光线透过水面形成离水辐亮度，是遥感传感器获取水体信息的来源和物理基础，是生物光学模型的重要输入参数。

其大小与水体中各组分的浓度、悬浮颗粒物的形状、大小有关。

目前对水体吸收系数的研究较多，而专门针对水体后向散射光学特性的研究相对较少，且主要针对光学特性受浮游藻类主导的海洋一类水体进行。

因此有必要对该参数进行深入研究，以便更为准确地定量化表达水体光学特性，为更好地建立固有和表观量之间的桥梁奠定基础。

理论上水体中悬浮物后向散射系数是无法直接测量得到的，目前获取水体后向散射系数的方法主要有以下几种：）（1）试验现场直接测量法，即利用现有的水体光学测量仪器（Hydroscat，AC-9,BB9,HS-6等）对水体后向散射系数进行直接或间接测量得到，但该方法只能对特定角度、特定波段的后向散射进行测量，因此对后向散射光学特性的影响因子的分析有一定的局限性；（2）基于物理模型的方法，首先利用颗粒物的散射理论计算得到水体颗粒物的散射系数，在利用后向散射概率函数得到水体中颗粒物的后向散射系数，该法前提是认为颗粒物均匀，受颗粒物形状、折射系数、粒径分布影响较大。

（3）基于辐射传输理论的模拟方法，该方法结合辐射传输理论和水体的生物光学特性，有较好的物理基础，但该方法采用的半分析方法，其中的经验模型限制了其在其它水域的应用。

分光光度计最早是用来测量水体固有光学量中的吸收系数，Tassan和Ferrari2002年首次提出了可利用分光光度计同时测量水体的吸收系数和后向散射系数。

国家海洋技术中心的朱建华、周虹丽等人对T-R法有着深入的研究，并对光程放大因子β对近岸水体的影响做出了评价，认为T-R法在我国近岸水体浑浊区域有较高适用性。

这里面提到的T-R 法测量水体的吸收系数等是国际上常采用的QFT(quantita-tive filter technique,定量化过滤技术)方法中的一种。

该方法由Yentsch（1957）首次提出，将水体中的颗粒物通过定量化过滤技术富集到滤膜上，然后利用分光光度计进行其光吸收系数的测定。

QFT法根据具体的操作方法的不同，可分为两种方法，即T方法和T-R法。

其中T方法是美国NASA（美国国家航空航天局）发布生物光学测量的标准方法；T-R法由Tassan和Ferrari于1995年提出。

该方法是在T法的基础上增加了反射率的测量，避免了颗粒的散射作用对测量结果的影响。

T法适用于比较清洁的一类水体，水体中的颗粒物较小，水体成分简单，颗粒的散射作用可忽略。

对于浑浊的二类水体，由于水体成分复杂，不可忽略颗粒的散射作用影响，而T-R法能有效消除颗粒物和滤膜之间的多重散射影响，因此在二类水体中有着较高的适用性。

T-R法在国外已经得到了较深入的研究，但本方法还不是很成熟，SeaWiFs光学规范将其作为可供研究和探讨的方法。

为了得到更加精确的水体吸收系数，国内外学者做了大量的努力，在Yentsch（1957）提出的定量化过滤技术的基础上，Kirk(1980)和Banniseter(1986)分别提出了直接测量悬浮液中颗粒物的吸收系数T方法；Kiefer和SooHoo’s(1982)研究了光学密度OD f和β因子之间的关系；Hewes和Holm-Hansen(1983)提出的过滤-转移-冷冻法简称为FTF法；Bricaud(1990)提出β因子和光学密度（OD f>0.2）之间的多重散射关系；Tassan和Ferrari（2002）提出了同时测量吸收系数和后向散射系数的FTF/T-R(filter–transfer–freeze/the trans-mittance－reflectance)方法。

收稿日期：2010-12-10基金项目：海洋局青年基金资助项目—分光度计测量水体后向散射系数方法研究（2009407）作者简介：杨安安（1979-），男，湖南常德人，主要从事海洋水色遥感、表观光学量方面研究。

E-mail:yangood113@在国内，国家海洋技术中心开展了利用分光光度计和积分球测量颗粒物吸收系数的研究，掌握了光透射-光反射方法（T-R）的测量程序及测量误差分配情况，为本项目的研究提供了一定基础，但是其仅对光透射-光反射法测量吸收系数的方法进行了研究，并未涉及到后向散射系数的测量研究。

目前，在国内还没有学者利用分光光度计来测量获取水体后向散射系数方面的研究。

1原理与方法1.1原理本实验使用的方法为FTF/T-R法。

先将滤膜样品通过特殊分离方法将颗粒物样品转移到载玻片上，在测量过程中引入积分球，联合光透射测量和光反射测量，获得颗粒物样品的后向散射系数。

FTF/T-R法与传统的T法和T-R法相比，测量时承载颗粒物的载体不一样，T-R法中的颗粒物是在高散射特性的玻璃纤维滤纸上，而且颗粒物一定程度上会深入到玻璃纤维滤纸的孔径中，在光路分析中也就是光程放大因子β的影响。

在计算处理时，必须对光程放大因子β做纠正。

FTF/T-R法的测量载体为载玻片，颗粒物是以经过0.2μm 过滤过的为周围环境悬浮状态存在于载玻片上，不存在颗粒物和载体之间的光程放大影响。

FTF/T-R法中提到的“样品”指的就是以载玻片为测量载体，水体中的悬浮颗粒物以悬浮状态存在于载玻片上，上面覆盖有盖玻片的测量载体。

“参比”指的是同样品一样的处理，在盖玻片和载玻片之间没有颗粒物的测量样本。

在本文的研究中认为玻璃的吸收是可以忽略的，影响颗粒物吸收系数的只是颗粒物的散射相函数。

在FTF/T-R法中准直光束射到参比上时，由于没有颗粒物的存在光路没有发生散射，而穿过样品的光束由于受到颗粒物的散射作用光路发生改变，散射的那部分光由悬浮颗粒物的散射相函数决定，这部分光中超出玻璃-空气的布鲁斯特角（约49°）以外的光在分光光度计中不能被探测器接收到，且散射光部分中前向散射光达到最大值。

（在载玻片的吸收和波长依存特性忽略的前提下）对于积分球内“样品”的辐射传输平衡可表示为：进入积分球的辐射部分（=TR）+后向散射部分（=BK）+玻片吸收部分（=AF）+样品吸收部分（=AS）=1T-R法中为了消除透射模式下样品前向散射光的损失，对透过率ρt进行修正，修正后的的透过率为:T0=exp[1-（a p+b pb）X]=exp（-a p X）exp（-b pb X）=T a exp（-b pb X）进而得到后向散射系数的一个关系式：b pb=1X ln（TaT0）(3)式中：X为样品过滤体积除以有颗粒物的滤纸面积；T0为由于前向散射损失测量样品的透射校正；T a为透过率。

这里：T0=ρT（1+L f）(4)ρT为通过T-R方法测得的透射比；L f为被颗粒物散射前向散射光中超出布鲁斯特角以外的部分光；BR f为前向散射光中超出布鲁斯特角的部分光，其值和L f近似相等得到公式（5）和公式（6），其中BR f的值为一个已知的经验常数。

1+L f≈1+BR f(5)BR f=0.35±0.005(6)后向散射系数公式（7）中的T a是只与吸收有关的一个量，见式（8），其中OD sus是悬浮颗粒物的光学密度，见式（9），其中αp表示一束单一的入射光通过单通道入射到颗粒物上的吸收系数。

T a=10-OD sus(7)OD sus=log[1/（1-αp）](8)αp=1-ρT（1+L f）+R r[ρT（1+L f）-ρR（1+L b）]（1-R ag,n）（1+ρT R ga,f）(9)式（9）中：ρT和ρR是样品分别在透射和反射模式下测量得到的值；R T和R r是参比分别在透射和反射模式下测量得到的值；L b是被颗粒物散射的后向散射光中超出布鲁斯特角以外的部分光（见式10）。

R ag,n指的是空气到玻璃的斯涅耳反射率（R ag,n=R ga,n），R ga,f指的是在布鲁斯特角内的前向散射光中通过玻璃到空气之间的斯涅耳折射率的均值。

L b=（1-R ag,n）B p BR b（ρR R r）-1(10)式（10）中：B p指的是被颗粒物散射的后向散射光；BR b代表的是被颗粒物散射的后向散射光中超出布鲁斯特角以外的部分光，其值可通过散射相函数计算得到BR b=0.55±0.04，R ag,n和玻片的参比反射率之间有一经验关系式为R ag,n=0.525R r。

B p=ρR R r-R ag,n-（1-R ag,n）ρT2R ag,f（1-R ag,f）（1-R ag,n）（1-BR b）（1-R ga,b）（11）R ga,f和R ga,b的值可以查表得到。

这样对于样品的透过率进行纠正而推导得到的悬浮颗粒物的后向散射系数就得到了完整的过程，通过试验测量得到ρT，ρR，ρr代入公式便可求得样品颗粒物的后向散射系数。

1.2实验方法1.2.1实验室样品的选择Morel提出散射系数主要由小于10μm的粒子贡献所得[5]，本研究主要选择细胞直径在10μm左右的小球藻（直径3~5μm），巴夫藻（直径12~15μm），盐藻（直径7~8μm），金藻（5μm）和经过4.7μm孔径的聚碳酸酯滤膜过滤过的悬浮泥沙为研究对象。

通过实验室培养藻种，和配比不同浓度的悬浮泥沙的方法得到试验需要的样品。

利用光照培养箱中扩培7d后的藻类，和配比后的悬浮泥沙，选取0.2μm的聚碳酸酯滤膜（whatman），过滤5ml的小球藻，盐藻，和悬浮泥沙。

在过滤藻类的时候，真空泵的压力控制在667Pa下，防止压力过大对细胞造成损害，实验前准备一个12cm×12cm厚度为0.5cm的铝块，放在液氮罐中冷冻，等过滤完后，把滤膜放在一个干净的载玻片上，载玻杨安安，等：基于FTF/T-R法的水体后向散射系数测量方法研究第2期(1)(2)23海洋技术第30卷片上滴有一滴5μl 的纯净水，使得过滤后的滤膜颗粒物朝下的一面完全和载玻片接触，中间没有任何空气，取出冷冻后的铝块，把载玻片放在铝块上，观察滤膜的冷冻状态，几秒种后取下载玻片，快速仔细地把滤膜和载玻片分离，这时颗粒物被冷冻在载玻片上，使用盖玻片覆盖在颗粒物的上方得到试验需要的样品。