一种重金属溶液单位浓度方向散射系数的室内测量方法

1.本发明涉及水环境遥感的技术领域，更具体地，涉及一种重金属溶液单位浓度方向散射系数的室内测量方法。


背景技术：

2.水体组分光学参数是水质遥感模型里的重要基础参数，包括吸收系数、散射系数、消光系数等。入射光打到水体中的颗粒上后，会发生散射和吸收，强度利用散射系数和吸收系数表示，散射系数和吸收系数加起来称为消光系数。其中，散射系数包含了4π球面空间所有方向上的散射能量总和，而用方向散射系数表征入射光经过颗粒产生某一散射角方向的散射强度，该参数对于衡量卫星传感器接收后向反射的能力尤为重要。一直以来，学界并没有给出重金属溶液的散射系数和方向散射系数通用的测量方法，为应用水质遥感模型进行重金属浓度反演带来不便。
3.现有技术公开了一种水质成份吸收系数和散射系数的测量方法，通过野外测量离水反射率和室内测量水样消光系数相结合，计算出散射系数，但仍可进行以下方面改善：首先对比文件需要通过野外挑选典型单一类型污染水体，但自然水体中不存在绝对的“典型单一污染类型”，因此，对比文件求出的散射系数仅代表该野外特征类型水体的综合光学性质，而并不能精确到某一种化合物组分，计算结果与实际希望测量的组分相比会偏大；其次，测量对象是野外污染自然水体，需要通过化验方式得到组分浓度，化验的组分数量有局限，存在不确定的组分而被忽略，用该浓度来计算组分光学参数，其计算结果与实际希望测量的组分相比会偏小；最后，对比文件在选择野外样点测量离水反射率时，假定了现场水体光学厚度极大，对水底反射光进行忽略处理，因此只适用于深水或水质较差的情形，不适用于浅水；且对比文件中设计的装置，是用于测量水体总的消光系数，而非散射系数或方向散射系数。因此对比文件无法在室内环境中对重金属溶液的单位浓度方向散射系数进行精确测量。


技术实现要素：

4.本发明为克服上述现有技术无法在室内环境中对重金属溶液的单位浓度方向散射系数进行精确测量的缺陷，提供一种重金属溶液单位浓度方向散射系数的室内测量方法，不受待测重金属溶液的水体环境、待测重金属溶液特定组分数量或浓度的限制，普适性强，在室内环境即可实现对重金属溶液的单位浓度方向散射系数的精确测量。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.本发明提供了一种重金属溶液单位浓度方向散射系数的室内测量方法，包括：
7.s1：设置辐亮度测量装置；
8.s2：利用所述辐亮度测量装置依次测量标准板反射辐亮度、标准板-玻璃复合反射辐亮度、纯水散射辐亮度和待测重金属溶液散射辐亮度；
9.s3：根据标准板反射辐亮度、标准板-玻璃复合反射辐亮度、纯水散射辐亮度和待
测重金属溶液散射辐亮度计算待测重金属溶液单位浓度方向散射系数。
10.优选地，所述辐亮度测量装置包括光源、标准板、玻璃缸和光谱仪探头；
11.所述光源设置于玻璃缸上方，以入射角度θ向标准板或玻璃缸发射入射光；
12.所述玻璃缸设置于标准板上表面，用于盛装待测样品；
13.所述标准板用于直接反射入射光或透过玻璃缸的入射光；
14.所述光谱仪探头竖直设置于玻璃缸上方，用于测量标准板反射的入射光的辐亮度或入射光经待测样品散射的散射光的辐亮度。
15.优选地，所述步骤s2的具体方法为：
16.s2.1：光源以入射角度θ向标准板发射入射光，光谱仪探头测量标准板反射的入射光的辐亮度，记为标准板反射辐亮度l0；
17.s2.2：在标准板上表面放置玻璃缸，光谱仪探头测量标准板反射的透过玻璃缸的入射光的辐亮度，记为标准板-玻璃复合反射辐亮度lb；
18.s2.3：在玻璃缸中加入高度为h的纯水，光谱仪探头测量入射光经纯水散射的散射光的辐亮度，记为纯水散射辐亮度lw；
19.s2.4：在纯水中加入重量为m的待测重金属化合物试剂，搅拌均匀后静置形成待测重金属溶液，光谱仪探头测量入射光经待测重金属溶液散射的散射光的辐亮度，记为待测重金属溶液散射辐亮度lu。
20.光源发出的入射光的入射角度和辐照度，在步骤s2中均保持不变。
21.优选地，所述步骤s3的具体方法为：
22.s3.1：根据标准板反射辐亮度和标准板-玻璃复合反射辐亮度，计算标准板-玻璃复合反射率；
23.s3.2：根据标准板反射辐亮度和纯水散射辐亮度，计算纯水离水反射率；
24.s3.3：根据纯水离水反射率和标准板-玻璃复合反射率构建纯水的辐射传输方程，计算水分子的单位浓度方向散射系数；
25.s3.4：根据标准板反射辐亮度和待测重金属溶液散射辐亮度，计算待测重金属溶液离水反射率；
26.s3.5：根据待测重金属溶液离水反射率、水分子的单位浓度方向散射系数和标准板-玻璃复合反射率构建待测重金属溶液的辐射传输方程，计算待测重金属溶液单位浓度方向散射系数。
27.优选地，所述步骤s3.1中，计算标准板-玻璃复合反射率的具体方法为：
28.根据朗伯体各向同性性质有：
[0029][0030][0031][0032]
式中，rb表示标准板-玻璃复合反射率，r0表示标准板反射率，e0表示入射光辐照度。
[0033]
优选地，所述步骤s3.2中，计算纯水离水反射率的具体方法为：
[0034][0035][0036][0037]
式中，rw表示纯水离水反射率。
[0038]
优选地，所述步骤s3.3中，计算水分子的单位浓度方向散射系数的具体方法为：
[0039]
构建纯水的辐射传输方程：
[0040][0041]
反解纯水的辐射传输方程，获得水分子的单位浓度方向散射系数：
[0042][0043]
式中，ωw(θ)表示水分子的单位浓度方向散射系数，θ表示散射角；kw表示纯水的消光系数，h表示纯水的高度，rw表示纯水离水反射率，rb表示标准板-玻璃复合反射率；μ表示观测系数，μ＝secθz secθv，θz表示入射光线经纯水折射的天顶角，θv表示光谱仪测量方向的天顶角，θ＝180
°‑z。
[0044]
优选地，所述步骤s3.4中，计算待测重金属溶液离水反射率的具体方法为：
[0045][0046][0047][0048]
式中，ru表示待测重金属溶液离水反射率。
[0049]
优选地，所述步骤s3.5中，计算待测重金属溶液单位浓度方向散射系数的具体方法为：
[0050]
构建待测重金属溶液的辐射传输方程：
[0051][0052]
反解待测重金属溶液的辐射传输方程，获得待测重金属溶液单位浓度方向散射系数：
[0053][0054]
将rb,rw,ωw(θ),ru代入上式，获得：
[0055][0056]
式中，ωu(θ)表示待测重金属溶液单位浓度方向散射系数，ku表示待测重金属溶液单位浓度的消光系数，du表示待测重金属溶液的浓度。
[0057]
其中，l0,lb,lw,lu均为光谱仪探头测量得到的已知值，标准板反射率r0为厂家提供的已知值；入射光线经纯水折射的天顶角θz由测量获得，光谱仪探头竖直设置，光谱仪测量方向的天顶角θv＝0
°
；待测重金属溶液单位浓度的消光系数ku、纯水的消光系数kw、纯水的高度h和待测重金属溶液的浓度du均为已知值。
[0058]
优选地，根据入射光的波长和待测重金属溶液的重金属粒径判断散射类型；当散射类型服从瑞利散射类型规律时，散射相函数是确定的，将待测重金属溶液单位浓度方向散射系数除以该散射方向下的散射相函数，计算出待测重金属溶液的散射系数；当散射类型服从米散射或无选择散射类型规律时，散射相函数的数学形式通常是不确定的；通过本发明的方法，计算待测重金属溶液在不同散射角下的单位浓度方向散射系数，拟合出散射相函数，进而计算出待测重金属溶液的散射系数。
[0059]
优选地，所述待测重金属化合物试剂包括五水硫酸铜，铁氰化钾，硫酸铁，氯化铁，氢氧化铁，氧化镉，硫化镉，氯化镉，硫化铅，氧化铅，铬酸铅，硫酸铅，硝酸铅中的任意一种。
[0060]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0061]
本发明通过设置辐亮度测量装置，依次测量标准板反射辐亮度、标准板-玻璃复合反射辐亮度、纯水散射辐亮度和待测重金属溶液散射辐亮度，基于上述准确测量到的辐亮度，直接计算出待测重金属溶液单位浓度方向散射系数；本发明无需依赖特定的野外自然水体，考虑标准板和玻璃复合结构底部反射光的影响，在室内环境实现对重金属溶液的单位浓度方向散射系数的精确测量。
附图说明
[0062]
图1为实施例1所述的一种重金属溶液单位浓度方向散射系数的室内测量方法的流程图。
[0063]
图2为实施例2所述的辐亮度测量装置的结构示意图。
[0064]
图3为实施例3所述的四种辐亮度的光谱曲线示意图。
[0065]
图4为实施例3所述的纯水消光系数和五水硫酸铜溶液消光系数的光谱曲线示意图。
[0066]
图5为实施例3所述的散射角159
°
时，连续波长范围的五水硫酸铜溶液单位浓度方向散射系数的光谱曲线示意图。
[0067]
图中，1-光源，2-标准板，3-玻璃缸，4-光谱仪探头。
具体实施方式
[0068]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0069]
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0070]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0071]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0072]
实施例1
[0073]
本实施例提供了一种重金属溶液单位浓度方向散射系数的室内测量方法，如图1所示，包括：
[0074]
s1：设置辐亮度测量装置；
[0075]
s2：利用所述辐亮度测量装置依次测量标准板反射辐亮度、标准板-玻璃复合反射辐亮度、纯水散射辐亮度和待测重金属溶液散射辐亮度；
[0076]
s3：根据标准板反射辐亮度、标准板-玻璃复合反射辐亮度、纯水散射辐亮度和待测重金属溶液散射辐亮度计算待测重金属溶液单位浓度方向散射系数。
[0077]
在具体实施过程中，本实施例通过设置辐亮度测量装置，依次测量标准板反射辐亮度、标准板-玻璃复合反射辐亮度、纯水散射辐亮度和待测重金属溶液散射辐亮度，基于上述准确测量到的辐亮度，直接计算出待测重金属溶液单位浓度方向散射系数；本实施例无需依赖特定的野外自然水体，考虑标准板和玻璃复合结构底部反射光的影响，在室内环境实现对重金属溶液的单位浓度方向散射系数的精确测量。
[0078]
实施例2
[0079]
本实施例提供了一种重金属溶液单位浓度方向散射系数的室内测量方法，包括：
[0080]
s1：设置辐亮度测量装置；如图2所示，所述辐亮度测量装置包括光源1、标准板2、玻璃缸3和光谱仪探头4；
[0081]
所述光源1设置于玻璃缸上方，以入射角度θ向标准板2或玻璃缸3发射入射光；
[0082]
所述玻璃缸3设置于标准板2上表面，用于盛装待测样品；
[0083]
所述标准板2用于直接反射入射光或透过玻璃缸3的入射光；
[0084]
所述光谱仪探头4竖直设置于玻璃缸3上方，用于测量标准板2反射的入射光的辐亮度或入射光经待测样品散射的散射光的辐亮度。
[0085]
s2：利用所述辐亮度测量装置依次测量标准板反射辐亮度、标准板-玻璃复合反射辐亮度、纯水散射辐亮度和待测重金属溶液散射辐亮度；具体方法为：
[0086]
s2.1：光源1以入射角度θ向标准板2发射入射光，光谱仪探头4测量标准板2反射的入射光的辐亮度，记为标准板反射辐亮度l0；
[0087]
s2.2：在标准板2上表面放置玻璃缸3，光谱仪探头4测量标准板2反射的透过玻璃缸3的入射光的辐亮度，记为标准板-玻璃复合反射辐亮度lb；
[0088]
s2.3：在玻璃缸3中加入高度为h的纯水，光谱仪探头4测量入射光经纯水散射的散射光的辐亮度，记为纯水散射辐亮度lw；
[0089]
s2.4：在纯水中加入重量为m的待测重金属化合物试剂，搅拌均匀后静置形成待测重金属溶液，光谱仪探头4测量入射光经待测重金属溶液散射的散射光的辐亮度，记为待测重金属溶液散射辐亮度lu。
[0090]
本实施例中，待测重金属化合物试剂为五水硫酸铜，铁氰化钾，硫酸铁，氯化铁，氢
氧化铁，氧化镉，硫化镉，氯化镉，硫化铅，氧化铅，铬酸铅，硫酸铅，硝酸铅中的任意一种。
[0091]
s3：根据标准板反射辐亮度、标准板-玻璃复合反射辐亮度、纯水散射辐亮度和待测重金属溶液散射辐亮度计算待测重金属溶液单位浓度方向散射系数；具体方法为：
[0092]
s3.1：根据标准板反射辐亮度和标准板-玻璃复合反射辐亮度，计算标准板-玻璃复合反射率；具体的，根据朗伯体各向同性性质有：
[0093][0094][0095][0096]
式中，rb表示标准板-玻璃复合反射率，r0表示标准板反射率，e0表示入射光辐照度。
[0097]
s3.2：根据标准板反射辐亮度和纯水散射辐亮度，计算纯水离水反射率；具体的，根据朗伯体各向同性性质有：
[0098][0099][0100][0101]
式中，rw表示纯水离水反射率。
[0102]
s3.3：根据纯水离水反射率和标准板-玻璃复合反射率构建纯水的辐射传输方程，计算水分子的单位浓度方向散射系数；具体的：
[0103]
构建纯水的辐射传输方程：
[0104][0105]
反解纯水的辐射传输方程，获得水分子的单位浓度方向散射系数：
[0106][0107]
式中，ωw(θ)表示水分子的单位浓度方向散射系数，θ表示散射角；kw表示纯水的消光系数，h表示纯水的高度，rw表示纯水离水反射率，rb表示标准板-玻璃复合反射率；μ表示观测系数，μ＝secθz secθv，θz表示入射光线经纯水折射的天顶角，θv表示光谱仪测量方向的天顶角，θ＝180
°‑
θz。
[0108]
s3.4：根据标准板反射辐亮度和待测重金属溶液散射辐亮度，计算待测重金属溶液离水反射率；具体的，根据朗伯体各向同性性质有：
[0109]
[0110][0111][0112]
式中，ru表示待测重金属溶液离水反射率。
[0113]
s3.5：根据待测重金属溶液离水反射率、水分子的单位浓度方向散射系数和标准板-玻璃复合反射率构建待测重金属溶液的辐射传输方程，计算待测重金属溶液单位浓度方向散射系数；具体的：
[0114]
构建待测重金属溶液的辐射传输方程：
[0115][0116]
反解待测重金属溶液的辐射传输方程，获得待测重金属溶液单位浓度方向散射系数：
[0117][0118]
将rb,rw,ωw(θ),ru代入上式，获得：
[0119][0120]
式中，ωu(θ)表示待测重金属溶液单位浓度方向散射系数，ku表示待测重金属溶液单位浓度的消光系数，du表示待测重金属溶液的浓度。
[0121]
其中，l0,lb,lw,lu均为光谱仪探头测量得到的已知值，标准板反射率r0为厂家提供的已知值；入射光线经纯水折射的天顶角θz由测量获得，光谱仪探头竖直设置，光谱仪测量方向的天顶角θv＝0
°
；待测重金属溶液单位浓度的消光系数ku、纯水的消光系数kw、纯水的高度h和待测重金属溶液的浓度du均为已知值，即可计算出在散射角θ时的待测重金属溶液单位浓度方向散射系数ωu(θ)。
[0122]
实施例3
[0123]
本实施例以五水硫酸铜作为待测重金属化合物试剂对实施例2提供的重金属溶液单位浓度方向散射系数的室内测量方法进行说明：
[0124]
光谱仪探头4竖直设置，光谱仪测量方向的天顶角θv＝0
°
；光源1以入射角度θ发出入射光，入射光的波长为λ；光谱仪探头4依次测量标准板反射辐亮度l0、标准板-玻璃复合反射辐亮度lb后，在玻璃缸3中加入高度h＝15cm的纯水，入射光经经水面折射后的天顶角θz＝21
°
，则散射角θ＝180
°‑
21
°
＝159
°
，观测系数μ＝sec 21
°
sec 0
°
≈2.07，光谱仪探头4测量纯水散射辐亮度lw；在纯水中加入五水硫酸铜，搅拌均匀后静置形成待测五水硫酸铜溶液，浓度du＝2.06g/l，光谱仪探头4测量待测五水硫酸铜溶液散射辐亮度lu；光谱仪探头测得连续波长范围对应的4种辐亮度，绘制为辐亮度光谱曲线示意图，如图3所示
[0125]
如图4所示，为纯水消光系数和五水硫酸铜溶液消光系数的光谱曲线示意图，根据
入射光的波长为λ在图中确定纯水的消光系数kw和五水硫酸铜溶液的消光系数ku；结合标准板2厂家提供的反射率r0，计算出散射角为159
°
时，五水硫酸铜溶液的单位浓度方向散射系数ωu(159
°
)；
[0126]
如图5所示，为散射角159
°
时，连续波长范围的五水硫酸铜溶液单位浓度方向散射系数的光谱曲线示意图；从图中可以看出，散射强度集中在短波范围，从波长600nm附近往长波方向，散射系数已经为零；图5中的结果与瑞利散射规律符合，随着波长增大，散射作用迅速减少，符合五水硫酸铜溶于水后形成铜离子的粒径级别；
[0127]
进一步的，服从瑞利散射的散射相函数如下式：
[0128][0129]
则pu(159
°
)≈1.40；结合五水硫酸铜溶液的单位浓度方向散射系数ωu(159
°
)，可计算出五水硫酸铜溶液的散射系数解决了散射系数无法通过室内试验获得的缺陷。
[0130]
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
[0131]
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0132]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。