測(cè)量海洋水體小角度后向散射強(qiáng)度β(ψ)是海洋光學(xué)和水色遙感領(lǐng)域的任務(wù)之一，有利于理解水體光學(xué)特性、表征顆粒物評(píng)估水質(zhì)、反演生物地球化學(xué)參數(shù)及驗(yàn)證衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)測(cè)量采用濁度計(jì)、透射率儀、后向散射傳感器等方法。濁度計(jì)使用固定角度90°C測(cè)量側(cè)向散射光強(qiáng)度，并非后向180°C散射，測(cè)量結(jié)果隨顆粒物特性變化很大。透射率儀通過測(cè)量光束通過水體的衰減或透射率的間接測(cè)量方式，測(cè)量誤差較大。而后向散射傳感器受制于物理設(shè)計(jì)，難以測(cè)量ψ＜10°小角度的后向散射，對(duì)關(guān)鍵小角度區(qū)域的缺失是誤差主要來源。
利用sCMOS科學(xué)相機(jī)，結(jié)合特定光學(xué)設(shè)計(jì)如基于沙氏散射激光成像技術(shù)測(cè)量小角度后向散射，具有下列差異化優(yōu)勢(shì)：
1）sCMOS科學(xué)相機(jī)的高空間分辨率能夠直接成像并測(cè)量靠近180°的后向散射光，獲得對(duì)總后向散射系數(shù)貢獻(xiàn)最大的β(ψ)值。
2）sCMOS科學(xué)相機(jī)的高量子效率QE和低讀出噪聲，能夠檢測(cè)極微弱的后向散射光信號(hào)，適合低濁度的開闊大洋水體測(cè)量。
3）sCMOS科學(xué)相機(jī)的長時(shí)間曝光能力可同時(shí)記錄從極小角度ψ≈0.5°到小角度ψ≈10°范圍內(nèi)連續(xù)、高分辨率β(ψ)角分布，保障積分計(jì)算后向散射系數(shù)的精度和可靠性。同時(shí)，高分辨率β(ψ)角分布信息可增強(qiáng)顆粒物表征能力，有助于更好地區(qū)分不同類型的顆粒物如浮游植物、礦物、有機(jī)碎屑。
4）通過使用窄帶激光光源和相匹配的窄帶濾光片，sCMOS相機(jī)可有效抑制水體熒光信號(hào)對(duì)后向散射測(cè)量的干擾。
某實(shí)驗(yàn)室利用千眼狼高靈敏度sCMOS科學(xué)相機(jī)Gloria4.2，結(jié)合沙氏散射光路，在可控人工海水槽環(huán)境中對(duì)532nm激光的后向散射光斑進(jìn)行高精度科學(xué)成像，為海洋原位探測(cè)設(shè)備開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。
實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置，sCMOS科學(xué)相機(jī)分辨率裁剪為1270×512，Binning模式選擇2×2，用于提升信噪比，模數(shù)轉(zhuǎn)換選擇HDR高動(dòng)態(tài)模式，擴(kuò)展灰度響應(yīng)范圍，啟用實(shí)時(shí)校準(zhǔn)剔除環(huán)境雜散光干擾，曝光時(shí)間設(shè)置為200ms，觸發(fā)模式采用外部邊沿觸發(fā)，同步激光發(fā)射信號(hào)，經(jīng)預(yù)覽界面確認(rèn)光斑成像質(zhì)量后，采集激光光斑圖像如下圖所示。
圖像呈現(xiàn)清晰的激光光斑，直徑約20個(gè)像素，邊界銳利，HDR模式下，sCMOS相機(jī)可同時(shí)捕獲強(qiáng)激光中心點(diǎn)與弱散射邊緣信號(hào)，未出現(xiàn)明顯過曝或欠曝區(qū)域，亦無需多次曝光拼接。
千眼狼Gloria 4.2 sCMOS相機(jī)憑借優(yōu)異的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，為激光散射定量測(cè)量提供了可靠工具，實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵小角度（ψ＜10°）后向散射強(qiáng)度的直接、高分辨率測(cè)量，提高了總后向散射系數(shù)反演的精度和可靠性，同時(shí)具備探測(cè)微弱信號(hào)和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。sCMOS科學(xué)成像技術(shù)代表海洋光學(xué)測(cè)量先進(jìn)發(fā)展方向，隨著體積小型化和水下設(shè)備集成方案的實(shí)施，sCMOS相機(jī)將在海洋光學(xué)測(cè)量中具備工程實(shí)用性。
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