利用sCMOS科学相机测量激光散射强度

测量海洋水体小角度后向散射强度β(ψ)是海洋光学和水色遥感领域的任务之一，有利于理解水体光学特性、表征颗粒物评估水质、反演生物地球化学参数及验证卫星遥感数据。

传统测量采用浊度计、透射率仪、后向散射传感器等方法。浊度计使用固定角度90°C测量侧向散射光强度，并非后向180°C散射，测量结果随颗粒物特性变化很大。透射率仪通过测量光束通过水体的衰减或透射率的间接测量方式，测量误差较大。而后向散射传感器受制于物理设计，难以测量ψ＜10°小角度的后向散射，对关键小角度区域的缺失是误差主要来源。

利用sCMOS科学相机，结合特定光学设计如基于沙氏散射激光成像技术测量小角度后向散射，具有下列差异化优势：

1）sCMOS科学相机的高空间分辨率能够直接成像并测量靠近180°的后向散射光，获得对总后向散射系数贡献最大的β(ψ)值。

2）sCMOS科学相机的高量子效率QE和低读出噪声，能够检测极微弱的后向散射光信号，适合低浊度的开阔大洋水体测量。

3）sCMOS科学相机的长时间曝光能力可同时记录从极小角度ψ≈0.5°到小角度ψ≈10°范围内连续、高分辨率β(ψ)角分布，保障积分计算后向散射系数的精度和可靠性。同时，高分辨率β(ψ)角分布信息可增强颗粒物表征能力，有助于更好地区分不同类型的颗粒物如浮游植物、矿物、有机碎屑。

4）通过使用窄带激光光源和相匹配的窄带滤光片，sCMOS相机可有效抑制水体荧光信号对后向散射测量的干扰。

某实验室利用千眼狼高灵敏度sCMOS科学相机Gloria4.2，结合沙氏散射光路，在可控人工海水槽环境中对532nm激光的后向散射光斑进行高精度科学成像，为海洋原位探测设备开发提供数据支撑。

实验工况设置，sCMOS科学相机分辨率裁剪为1270×512，Binning模式选择2×2，用于提升信噪比，模数转换选择HDR高动态模式，扩展灰度响应范围，启用实时校准剔除环境杂散光干扰，曝光时间设置为200ms，触发模式采用外部边沿触发，同步激光发射信号，经预览界面确认光斑成像质量后，采集激光光斑图像如下图所示。

图像呈现清晰的激光光斑，直径约20个像素，边界锐利，HDR模式下，sCMOS相机可同时捕获强激光中心点与弱散射边缘信号，未出现明显过曝或欠曝区域，亦无需多次曝光拼接。

千眼狼Gloria 4.2 sCMOS相机凭借优异的灵敏度和动态范围，为激光散射定量测量提供了可靠工具，实现了对关键小角度（ψ＜10°）后向散射强度的直接、高分辨率测量，提高了总后向散射系数反演的精度和可靠性，同时具备探测微弱信号和高动态响应能力。sCMOS科学成像技术代表海洋光学测量先进发展方向，随着体积小型化和水下设备集成方案的实施，sCMOS相机将在海洋光学测量中具备工程实用性。