本文为中国激光第2541篇。欢迎点击在看、转发，让更多人看到。导
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全球及海洋碳循环等大科学问题需要准确地估算海洋初级生产力，上层浮游生物作为海洋初级生产力的主要制造者，对其剖面信息等进行精细化的光学探测非常重要。海洋激光雷达可以从水体后向散射光或激光回波信号中反演浮游生物量、颗粒有机碳等参数，但都强烈依赖于对水体成分的后向散射，特别是近180°处散射偏振特性的掌握。Mueller矩阵作为体散射函数的全面表征函数，通过获取水体Mueller矩阵中的参数可完整描述水体偏振光的散射特性。《光学学报》编委唐军武研究员等针对主被动光学海洋观探测中的基本问题——海洋水体颗粒物偏振光散射，阐述了水体Mueller矩阵在海洋光学观探测中的意义，归纳了水体Mueller矩阵测量技术与仪器的发展趋势及存在的问题，指出“偏振载荷+Mueller矩阵测量仪”是未来偏振海洋水色卫星传感器朝向业务化运行的重要发展方向。该综述发表于《光学学报》2022年12期（SAME专题刊），被选为SAME专题刊封面文章。
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封面解读
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封面呈现了星载海洋激光雷达穿透海洋次表层，探测水体剖面，并与现场光学仪器同步观测的过程。搭载于卫星平台的海洋激光雷达发射偏振激光脉冲，能够穿透上层海水，实现海洋三维遥感探测。现场Mueller矩阵测量仪可以测定完整水体偏振参数的Mueller矩阵，有助于准确反演水体不同组分的偏振散射特性剖面。
浩瀚的海洋，作为孕育生命的摇篮，既是资源的宝库，也是气候环境的重要调节器。海洋观测作为认识海洋的重要途经，是“向海图强”等战略实施的先决条件。
海洋激光雷达作为海洋观测的“扫描器”，能够通过水体回波信号和水体颗粒物散射的反演给海洋做“CT”。其中海洋剖面激光雷达卫星[如课题组正在研发的“观澜一号”(GL-1)]，利用偏振激光能够穿透海洋次表层，获取水体偏振回波信号剖面。
在偏振(矢量)辐射传输计算与探测中，介质的Mueller矩阵是其散射特性最基础、最完整的描述参数。理论上，每个Mueller矩阵参数的测量都需要涵盖0°~180°的范围，才能为水体辐射传输计算提供全面的光场信息，因此一个Mueller矩阵测量仪的基础是体散射函数(VSF)测量仪加上偏振组件。
现阶段国内外的典型VSF/Mueller矩阵测量仪，如MVSM、LISST-VSF与MASCOT等无法测量180°小角度，而激光雷达接收到的信号主要是180°处的后向散射信号。为了解决这一问题，需研制具有全偏振、近0°~180°连续大角度范围的多波长体散射函数与Mueller矩阵测量仪，并开展配套的仪器定标与水体VSF& Mueller矩阵参数分析方法、水体成分特性与Mueller矩阵参数的初步关联分析应用等研究，为我国和国际水体光学观探测理论与技术的发展提供基础性测量与分析工具。人们在水体散射及辐射传输研究中，多数只能采用两组典型数据：Petzold VSF及Voss & Fry海洋水体Mueller矩阵参数。180°处的体散射系数是激光雷达水体探测的基本参数，然而不同浮游植物颗粒的散射相函数在180°处的差异可达10倍以上。
国内外学者对海水或浮游植物的Mueller矩阵参数测量研究表明，海洋粒子的粒径、组分和形状结构不仅会改变粒子光散射强度，还会改变其偏振参数，即改变Mueller矩阵参数。其中海洋粒子形状对Mueller矩阵参数较为敏感。在颗粒物散射理论与测量数据的自洽方面，“丢失散射迷题”(Missing Scattering Enigma)是困扰海洋光学和水色遥感多年的重大基础性问题之一。该问题的一般表述是：在海洋水体测量或浮游植物光学特性测量与理论模型对比中，颗粒物的总散射系数 (或光束衰减系数)与后向散射系数总是不能同时吻合。Organelli等认为该问题主要是由原来普遍采用的过于简化的“均质球形细胞” 假设所致，故他们建议采用结构更加复杂的多层细胞结构模型进行理论计算。目前利用激光雷达反演水体颗粒物散射系数的算法依赖于后向散射系数与体散射系数的关系。准确获取颗粒物散射相函数能够提高激光雷达的水体颗粒物散射系数反演精度。因此急需开发Mueller矩阵测量仪用于获取水体颗粒物4×4 Mueller矩阵参数。课题组研制了基于离轴反射式光路的近180°水中悬浮颗粒物体积散射函数测量仪。定标后的测量系统能够完成在173°~179.4°范围内水中悬浮颗粒物体积散射函数的测量，角度分辨率为0.01°，测量结果与米氏散射理论值具有很好的一致性。海洋水体颗粒物偏振光散射作为海洋光学研究的基本问题之一，国内外还有待进一步研究发展。工具决定生产力，目前国际上仅有部分Mueller矩阵参数、部分角度范围的VSF及Mueller矩阵测量仪，还没有包含Mueller矩阵完整水体偏振参数的商业化仪器系统；现有科研用的系统中，存在或角度范围与间隔稀疏、或偏振信息不全、或系统前向/后向杂光抑制不佳等缺陷；曾经提出的一些方案，也由于方案缺陷或可靠性、经费等问题没有进行后续的研发和应用。
1) 基于Mueller矩阵测量仪，进行海洋颗粒物的识别和分类。因海洋颗粒物形状对偏振较为敏感，颗粒物偏振信息结合其折射率，可对海洋颗粒物进行识别和分类；2) 海洋颗粒物粒径分布高精度反演。利用VSF结合偏振参数可有效提高海洋颗粒物粒径分布反演精度；3) 基于Mueller矩阵参数的生物光学算法和大气校正算法研发。偏振载荷是未来海色卫星传感器的一个发展方向，基于Mueller矩阵测量仪，可进一步实现基于Mueller矩阵参数的生物光学算法和大气校正算法研发，进而为未来偏振海色卫星传感器业务化运行提供支持。
唐军武，理学博士，二级研究员，青岛海洋科学与技术试点国家实验室观澜卫星工程部主任/总工，中国海洋大学海洋技术学院、中国科学院西安光机所兼职博导。主要从事海洋光学理论与技术、水色遥感、遥感器定标检验、海洋-大气辐射传输模型等方面研究以及海洋观测技术装备研制等工作。先后主持国家自然科学基金、“863”、国防科工委、国家海洋局等多项重大项目，曾任我国HY-1卫星定标检验主任设计师，在自主海洋光学遥感器定标检验、我国近海水体的水色反演算法等方面开展系列创新性工作。已发表论文40余篇，在水体光谱测量方面发表的文章，曾获得“中国百篇最具影响国内学术论文”之一。
青岛海洋科学与技术试点国家实验室“观澜号”海洋科学卫星工程部围绕“观澜号”海洋科学卫星计划，组织开展“观澜一号”(GL-1)海洋剖面激光雷达卫星、“观澜二号”(GL-2)敏捷组网高度计星座及其科学应用等相关研究工作, 目前正在招贤纳士，包括主被动光学遥感、海洋微波遥感等岗位，欢迎关注。具体信息详见： （第一批）。
4. 龚威, 史硕, 陈博文, 宋沙磊, 吴德成, 刘东, 刘正军, 廖梅松. 机载高光谱激光雷达成像技术发展与应用(SAME特邀)[J]. 光学学报, 2022, 42(12): 1200002.5. 胡秀清, 徐寒列, 雷松涛, 王玲, 于天雷, 王阳, 高宇, 胡申森, 徐娜, 陈林, 严卫, 孙凌, 丁雷, 张鹏.风云三号黎明星微光探测及应用综述(SAME特邀) [J]. 光学学报, 2022, 42(12): 1200003.
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编辑 | 王晓琰
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