近岸水体红光波段反射光谱的荧光偏振识别与形成机制

The elastic scattering signal overlaps with the chlorophyll fluorescence from the water-leaving radiance when measuring reflectance spectra, which hinders in-depth analysis of formation mechanism on the reflectance spectra in the red band, also leads to "reflection peak red shift" being misinterpreted as "fluorescence peak red shift". .In this study, the polarization difference between elastic scattering light and chlorophyll fluorescence as a breakthrough, combined with the basic principle of polarization discrimination technology, theoretical feasibility of polarization discrimination of chlorophyll fluorescence from reflectance spectra will be confirmed. Through laboratory and field experiments, this study will completely discuss the main influencing factors of polarization discrimination of chlorophyll fluorescence to optimize the measurement and data processing procedures, and will validate its applicability for different types of phytoplankton and coastal waters, and will ultimately build a complete technology system..Based on this, under the premise of accurately obtaining chlorophyll fluorescence, this study will research the relation between absorption, backscattering, chlorophyll fluorescence and reflectance spectra in the red band of coastal waters to correctly interpret the formation mechanism of reflectance spectra, and will focus on discussion with the main control factors of reflection peak wavelength and height in the red band to clear red-shift mechanism of reflection peak. The results will provide a theoretical basis for remote estimation of chlorophyll a concentration in the coastal waters.

反射光谱测量时，离水辐射信息中的弹性散射光和叶绿素荧光重叠，无法有效分离，这阻碍了红光波段反射光谱形成机制的深入剖析，也是导致红光波段的“反射峰红移”被曲解为“荧光峰红移”的根源所在。.本研究以反射光谱中弹性散射光与叶绿素荧光的偏振态差异为突破口，结合偏振识别技术的基本原理，证实反射光谱中叶绿素荧光偏振识别的理论可行性。通过室内和现场实验，充分讨论叶绿素荧光偏振识别方法的影响因素，优化测量与数据处理程序，并检验其在浮游藻种变化和近岸水体类型不同时的适用性，最终构建完整的技术体系。.基于此，在准确获取叶绿素荧光的前提下，研究不同类型近岸水体红光波段的吸收、后向散射以及叶绿素荧光等光学变量与反射光谱的关系，正确解译反射光谱的形成机制，并重点讨论红光波段反射峰波长与高度变化的主要控制因子，明确反射峰的红移机理，为近岸水体叶绿素浓度的遥感探测提供理论依据。

离水辐射信息中的弹性散射光和叶绿素荧光重叠，无法有效分离，这阻碍了红光波段反射光谱形成机制的深入剖析，导致红光波段的“反射峰红移”被曲解为“荧光峰红移”。本项目主要研究叶绿素荧光偏振识别方法的基本原理，通过室内和现场实验，明确叶绿素荧光偏振识别方法的测量程序；并利用观测数据，分析近岸水体红光波段反射光谱的形成机制。水体中颗粒物的弹性散射光为多角度线性偏振光，而浮游藻类的叶绿素荧光为非偏振光，以此为基本切入点，通过一系列的偏振光谱测量、模拟与计算，最终可达到识别叶绿素荧光的目的。采用吸光黑布在室内搭建了实验暗室，并将光谱仪与偏振器组合构成偏振测量平台，分别测量了抑食金球藻、强壮前沟藻、中肋骨条藻及海洋原甲藻等，证实了叶绿素浓度变化、光源入射角改变及无机颗粒物影响等情况下叶绿素荧光偏振识别方法的可行性，掌握了室内叶绿素荧光偏振识别方法的测量程序。选择秦皇岛和长兴岛近岸海域为研究区，开展了现场测量实验，证实了叶绿素荧光偏振识别方法对赤潮水体具有一定的可行性，但对其它叶绿素含量较低的水体可行性较差。利用室内和现场测量数据，研究表明近岸水体红光波段的反射峰是在其左右两侧浮游藻类和纯海水的强吸收作用下形成，而667nm 的反射谷，则由位于683nm叶绿素荧光峰与675nm浮游藻类吸收峰引起的反射谷叠加后产生；反射峰由吸收、后向散射以及叶绿素荧光共同控制，随浮游藻类叶绿素浓度的逐渐增大，叶绿素荧光和弹性散射作用均不断增强，开始时叶绿素荧光增强速率大于弹性散射作用，叶绿素荧光强于吸收和散射的影响，但到达一定浓度后，其增强速率小于弹性散射作用，叶绿素荧光弱于吸收和散射的影响；文献中通常提及的“荧光峰”红移实际与叶绿素荧光无关，主要是浮游藻类红光波段的强吸收作用导致，而叶绿素荧光对反射峰的红移有抑制作用。本项目研究成果可为近岸水体叶绿素浓度的遥感探测提供理论依据，为开展偏振水色遥感研究奠定科学基础。