基于平行偏振等效辐射的颗粒物偏振遥感反演算法研究

The polarization spectrum of water-leaving radiance carries embedded information of water constituents, which have potential applications in retrieval of inorganic suspended particulates concentration, phytoplankton chlorophyll fluorescence, and inherent optical properties (IOPs) such as absorption/attenuation ratio. Yet, owing to the lacking of instruments, the practical difficulties in obtaining reliable filed data, the polarization-based retrieval algorithm is still insufficient. In this study, the polarization spectrum characteristic of water-leaving radiance and the relationships along with variation of inorganic and organic suspended particle concentration will be researched, based on radiative transfer simulation and field experiments. And then, the influence of organic and inorganic suspended particles on the polarization of water-leaving radiance will be discussed to establish the polarization-based quantitative retrieval algorithm between parallel polarization radiance (PPR) and inorganic and organic suspended particulate concentration. The proposed project is expected to put forward a practical method for ocean color polarization remote sensing, promote to develop the new polarimetric ocean color remote sensing detector, which can help to advance the development of ocean color remote sensing science and have importantly scientific significance and applicable value.

离水辐射偏振光谱携带着丰富的水体组分信息，在无机悬浮颗粒物浓度反演、叶绿素荧光信号提取、水体固有光学特性吸收衰减比评估等研究中极具应用潜力。针对当前水体偏振观测仪器缺乏、水体偏振光谱测量困难及水体组分偏振反演算法缺乏等科学问题，本项目拟结合辐射传输模拟与现场观测两种手段研究可见光在悬浮颗粒物（有机、无机）水体辐射传输过程中其偏振特性变化规律，理清离水辐射偏振特性与悬浮颗粒物之间的内在关系，阐明有机和无机悬浮颗粒物对离水辐射偏振特性的影响，着重分析平行偏振等效辐射随有机和无机悬浮颗粒物浓度变化规律及差异性。并在此基础上，构建有机和无机悬浮颗粒物偏振反演算法。本项目的研究可望提出一种实用的水色偏振遥感反演方法，为新型水色偏振遥感器的研制及发展业务化的海洋水色偏振遥感打下基础，促进海洋水色遥感学科的发展，具有显著的科学研究意义。

平行偏振等效辐射可望发展成为实用的海洋水色偏振遥感方法，但其对于提高海洋水色要素定量化反演精度的能力需要进一步深入探讨和研究。本项目利用综合运用海洋-大气耦合矢量辐射传输数值模拟和现场观测两种方法研究可见光在自然水体辐射传输过程中其偏振特性变化规律，探究悬浮颗粒物对离水辐射偏振特性的影响，阐明了平行偏振等效辐射提高海洋水色信噪比的内在机制，建立了自然水体离水辐射偏振光谱观测装置，构建了无机悬浮颗粒物和叶绿素浓度偏振反演算法。研究结果表明，平行偏振等效辐射可有效抑制大气散射作用，提高海洋水色信噪比（18%），并且随悬浮颗粒物浓度逐渐增加，提升作用越显著。高浑浊自然水体水下上行辐射Stokes参数（I、Q、U）空间几何分布特征变化显著。随着观测高度角逐渐增加，I分量逐渐增加，U逐渐降低，上行辐射偏振度DOP逐渐增加。水下上行辐射DOP最小值坐落于对镜面反射区域，DOP最大值位于镜面反射半球，在太阳主平面呈现双峰特征，最大值可达0.5。水体的固有光学特性（吸收和散射）是决定离水辐射偏振度波谱特征的主要因素，在短波波段离水辐射DOP先降低而后增加，极小值位于550nm。辐射传输模拟数据和现场数据具有较好的一致性，离水辐射偏振度两者对比结果偏差18.86%，PCOART模型可复现自然水体Stokes矢量光场，实现了矢量辐射传输模拟与现场原位观测的偏振光学闭合，验证了本研究所设计的离水辐射偏振光谱现场原位观测装置测量的准确性和实用性，也验证了PCOART模型模仿真结果的科学性。此外，利用辐射传输模拟数据和现场原位观测数据，分别建立了平行偏振等效辐射、水下上行辐射偏振度、离水辐射偏振度与无机悬浮颗粒物、叶绿素浓度之间的经验关系式，其反演误差分别为0.901%、5.28%和4.17%。因此，平行偏振等效辐射携带着丰富的水色要素信息，可以应用于海洋水色信息定量化反演，是当前基于总辐亮度框架建立的遥感反演方法的有益补充。