水体偏振体散射函数对主被动矢量辐射的作用机制

The polarized volume scattering function (PolVSF) is a fundamental inherent optical property, which is critical for the vector radiative transfer simulation in the ocean. The PolVSF in natural waters varies and has quite different and significant impacts on the polarization of lidar waveforms and the bidirectional distribution of the water-leaving radiance vector, which should be carefully investigated to improve the parameterization of PolVSF in both passive and active radiative transfer model. In this study, a polarized volume scattering meter covering the measurement in a wide range of scattering angle will be developed to characterize the PolVSFs of some typical particles in the China Seas. The differences in the responses of polarized backscattering signals of lidar remote sensing and water-leaving radiance of ocean color remote sensing to varying PolVSFs will be emphasized using both simulations and underwater measurements of polarized light fields. These differences will hopefully guide to propose more suitable approximation methods of PolVSFs, to improve accuracies of the passive/active radiative transfer model, and thus to achieve the optical closure between the apparent and inherent properties measurements.

水体颗粒的偏振体散射函数（Muller矩阵）是海洋光学遥感以及主被动矢量辐射传输方程求解的核心参数。认知偏振体散射函数特性对海洋激光和水色遥感矢量辐射信号的不同作用机制，有助于了解两种遥感机理深层次的差异，可为两者辐射传输数值模型的改进提供依据。然而，目前我国近海水体颗粒偏振体散射函数的测量数据匮乏。因此本研究从建立一套全角度水体偏振体散射函数测量系统入手，获取我国近海水体典型颗粒的偏振体散射函数特性；结合矢量辐射传输模型和水下偏振辐射观测，理清颗粒偏振体散射函数对海洋激光雷达偏振回波波形和海洋水色多角度离水辐亮度矢量不同的调控机制；从而针对主被动模型建立不同的偏振散射函数近似方法来提高辐射模型精度，实现水体表观量与固有量的光学闭合，提升我国水体光学测量的定量化水平。

水体颗粒偏振体散射函数是海洋主被动光学遥感研究中最为关键、测量难度最大的固有光学参量。颗粒体散射的异向性和不同类型颗粒的异质性是遥感定量化和反演困难的主要原因。然而我国缺乏体散射函数测量设备，相关数据空白，因此本研究1）在体散射测量仪器方面，基于潜望镜式光路结构与旋转探测器式探测结构研制了国内首套近似全角度水体颗粒（1°~178.5°）体散射函数测量仪（VSFlab和PVSFlab），提出了一种由中性密度片与棱镜相互胶合的出射棱镜，提高了后向大角度(>170°)体散射函数测量精度；采用了激光斜入射式测量方式建立了前向小角度（0.03°~60°）体散射函数测量方法；并且首次获取了我国典型水体（东海、千岛湖等）颗粒标量及偏振体散射函数数据，揭示了东海近海水体尤其是其在后向大角度(>170°)的体散射特性，提出了基于前向散射（0.03°~60°）精确计算不对称因子的方法。2）在激光遥感机制方面，基于“期望值”方法构建了激光辐射传输半分析Monte Carlo模型（SALMOM），研究水体颗粒体散射对水下激光脉冲时空展宽的影响，开展了国产分视场海洋激光雷达回波形仿真模拟；3）在水色遥感方面，利用OSOAA模型构建了海-气耦合系统中的辐射过程模拟器，获取了水色卫星入瞳处的辐射偏振特性，实现了与卫星观测结果的闭合验证。.最为重要的是，本项目研制的国内首套近似全角度水体颗粒体散射函数测量仪及方法提高了我国水体光学体散射函数测量技术成熟度，填补了我国近海水域体散射函数数据的空白，为其他学者研究中国近海水体的固有光学特性与颗粒特性之间的关系以及海洋光学遥感中的光学闭合问题提供测量技术与数据的支撑。发表论文8篇（其中SCI 4篇、EI 3篇），申请专利2项，培养博士生和硕士生各1名。.