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測量海洋水體小角度后向散射強度β(ψ)是海洋光學和水色遙感領域的任務之一,有利于理解水體光學特性、表征顆粒物評估水質、反演生物地球化學參數及驗證衛星遙感數據。

傳統測量采用濁度計、透射率儀、后向散射傳感器等方法。濁度計使用固定角度90°C測量側向散射光強度,并非后向180°C散射,測量結果隨顆粒物特性變化很大。透射率儀通過測量光束通過水體的衰減或透射率的間接測量方式,測量誤差較大。而后向散射傳感器受制于物理設計,難以測量ψ<10°小角度的后向散射,對關鍵小角度區域的缺失是誤差主要來源。

利用sCMOS科學相機,結合特定光學設計如基于沙氏散射激光成像技術測量小角度后向散射,具有下列差異化優勢:
1)sCMOS科學相機的高空間分辨率能夠直接成像并測量靠近180°的后向散射光,獲得對總后向散射系數貢獻最大的β(ψ)值。
2)sCMOS科學相機的高量子效率QE和低讀出噪聲,能夠檢測極微弱的后向散射光信號,適合低濁度的開闊大洋水體測量。
3)sCMOS科學相機的長時間曝光能力可同時記錄從極小角度ψ≈0.5°到小角度ψ≈10°范圍內連續、高分辨率β(ψ)角分布,保障積分計算后向散射系數的精度和可靠性。同時,高分辨率β(ψ)角分布信息可增強顆粒物表征能力,有助于更好地區分不同類型的顆粒物如浮游植物、礦物、有機碎屑。
4)通過使用窄帶激光光源和相匹配的窄帶濾光片,sCMOS相機可有效抑制水體熒光信號對后向散射測量的干擾。
某實驗室利用千眼狼高靈敏度sCMOS科學相機Gloria4.2,結合沙氏散射光路,在可控人工海水槽環境中對532nm激光的后向散射光斑進行高精度科學成像,為海洋原位探測設備開發提供數據支撐。
實驗工況設置,sCMOS科學相機分辨率裁剪為1270×512,Binning模式選擇2×2,用于提升信噪比,模數轉換選擇HDR高動態模式,擴展灰度響應范圍,啟用實時校準剔除環境雜散光干擾,曝光時間設置為200ms,觸發模式采用外部邊沿觸發,同步激光發射信號,經預覽界面確認光斑成像質量后,采集激光光斑圖像如下圖所示。

圖像呈現清晰的激光光斑,直徑約20個像素,邊界銳利,HDR模式下,sCMOS相機可同時捕獲強激光中心點與弱散射邊緣信號,未出現明顯過曝或欠曝區域,亦無需多次曝光拼接。
千眼狼Gloria 4.2 sCMOS相機憑借優異的靈敏度和動態范圍,為激光散射定量測量提供了可靠工具,實現了對關鍵小角度(ψ<10°)后向散射強度的直接、高分辨率測量,提高了總后向散射系數反演的精度和可靠性,同時具備探測微弱信號和高動態響應能力。sCMOS科學成像技術代表海洋光學測量先進發展方向,隨著體積小型化和水下設備集成方案的實施,sCMOS相機將在海洋光學測量中具備工程實用性。
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