海洋光學(xué)綜述

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海洋光學(xué)是研究海洋的光學(xué)性質(zhì)、光在海洋中的傳播規(guī)律和運(yùn)用光學(xué)技術(shù)探測海洋的科學(xué)。它是海洋物理學(xué)的分支學(xué)科，又是光學(xué)的分支學(xué)科。

光電子學(xué)辦法是海洋光學(xué)測量的要緊手段，基礎(chǔ)研究中包括實(shí)驗(yàn)和理論兩方面。實(shí)驗(yàn)方面要緊運(yùn)用現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室的測量辦法舉行海洋光學(xué)性質(zhì)的研究。

一、進(jìn)展簡史

早在19世紀(jì)初，就有人用透明度盤目測自然光在海中的鉛直衰減。從19世紀(jì)末開始，海洋學(xué)家才比較注意研究海洋的光學(xué)性質(zhì)，并結(jié)合海洋初級(jí)生產(chǎn)力的研究，用光電辦法測量海洋的輻照度。

到了20世紀(jì)30年代，瑞典等國的科學(xué)家設(shè)計(jì)創(chuàng)造了測定海水的線性衰減系數(shù)、體積散射系數(shù)和光輻射場分布的海洋光學(xué)儀器，舉行了一系列現(xiàn)場測量。從第二次世界大戰(zhàn)后到60年代中期，是海洋光學(xué)的進(jìn)展階段：

1947～1948年，瑞典科學(xué)家在環(huán)球深海調(diào)查中（“信天翁”號(hào)），首次將海洋光學(xué)調(diào)查列入重要的海洋調(diào)查打算，測量了輻照度、衰減和散射等；

1950～1952年，丹麥人在環(huán)球深海調(diào)查中，致力研究了

重要海區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力和光輻照之間的關(guān)系；

1957～1958年，在國際地球物理年(IGY)的調(diào)查中，測量了北大西洋的水文要素和光學(xué)參數(shù)，并研究其相互的關(guān)系。

美國、蘇聯(lián)、法國等國，相繼建立了實(shí)驗(yàn)基地，詳盡研究了海水固有光學(xué)性質(zhì)和海洋表觀光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系；美國R.W.普賴森多費(fèi)爾提出了比較系統(tǒng)的海洋光學(xué)理論，進(jìn)展了海洋輻射傳遞理論；一些學(xué)者對(duì)水中能見度理論、海洋光學(xué)測量模型、光輻射場與海水固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，舉行了比較系統(tǒng)的研究。

60年代中期往后，隨著近代光學(xué)、激光、計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)遙感和海洋科學(xué)的進(jìn)展，海洋光學(xué)得到了進(jìn)一步的進(jìn)展，特殊是結(jié)合信息傳遞的要求，用蒙特卡羅辦法較好地解決了激光在水中的傳輸、海面向上光輻射與海水固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系等咨詢題，使海洋光學(xué)從傳統(tǒng)的唯象研究轉(zhuǎn)入物理的和技術(shù)的研究。

二、研究內(nèi)容

（一）基礎(chǔ)研究

包括實(shí)驗(yàn)和理論兩方面。實(shí)驗(yàn)方面要緊運(yùn)用現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室的測量辦法舉行海洋光學(xué)性質(zhì)的研究?？梢姽獠ǘ问悄芡溉牒Ｖ械碾姶挪ǖ囊o波段，其傳播規(guī)律決定于海洋水體的散射和汲取等性質(zhì)。各海區(qū)的光學(xué)性質(zhì)和海洋水體的組分密

切相關(guān)，所以海洋光學(xué)調(diào)查是研究區(qū)域海洋光學(xué)性質(zhì)的要緊手段。在理論研究方面，海洋輻射傳遞理論是海洋光學(xué)的要緊理論基礎(chǔ)，從輻射傳遞方程動(dòng)身，要緊運(yùn)用隨機(jī)模擬辦法和蒙特卡羅法，建立各種輻射傳遞模型，包括分層結(jié)構(gòu)海洋水體、均勻海洋水體、海洋－大氣系統(tǒng)、窄光束水中傳輸?shù)饶Ｐ?、?guī)律。

（二）海面光輻射研究

要緊研究日光射入海洋后，通過輻射傳遞過程所產(chǎn)生的、由海洋表層向上的光譜輻射場。它是光學(xué)遙感探測海洋的要緊信息來源，是建立光學(xué)海洋遙感模型的重要依據(jù)。

（三）水中能見度

要緊研究水中的視程和圖象在水中的傳輸咨詢題。由海洋輻射傳遞方程動(dòng)身，可導(dǎo)出水中對(duì)照度傳輸方程和水中圖象傳輸方程，用以研究水中的圖象系統(tǒng)。

（四）激光與海水的相互作用

要緊研究激光在水中受到的散射、汲取及其所遵循的傳輸過程。70年代往后對(duì)海水激光熒光和海水受激拉曼散射的研究，為激光測水深、海水的化學(xué)分析和海洋的溫度、鹽度按深度的分布，打下了基礎(chǔ)。

（五）海洋水體的光學(xué)傳遞函數(shù)

用線性系統(tǒng)理論研究海洋水體對(duì)光的散射和汲取的過程。要緊研究海水點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)、海水光學(xué)傳遞函數(shù)與海水固有光學(xué)參數(shù)的關(guān)系。它是建立海洋激光雷達(dá)方程和水中圖象系統(tǒng)質(zhì)量分析的重要依據(jù)。

基本參數(shù)性質(zhì)

太陽和天空輻射經(jīng)過海面進(jìn)入海中所形成的海洋輻射場分布，要緊表現(xiàn)為輻亮度分布、輻照度衰減、輻照比和偏振特性等所有與輻射場有關(guān)的光學(xué)性質(zhì)。

⒈衰減長度(AL)

單XXX準(zhǔn)直光束經(jīng)過海水介質(zhì)，輻射能呈指數(shù)衰減變化。海水的體積衰減系數(shù)是波長的函數(shù)，通常以為近岸海水的光譜透射窗口（即在此波段，光在海水中的衰減最小，透射最大）為0.520um，體積衰減系數(shù)約為0.2～0.6m，其衰減長度約為1.2～5m。大洋清潔海水的光譜透射窗口為0.480um，體積衰減系數(shù)約為0.05m，其衰減長度約為20m。

⒉輻亮度(L)

表示單位立體角dΩ和單位發(fā)射面積dA發(fā)出的輻射通量，L=d2F/dAcosθdΩ。θ是光束與dA的法線的夾角。水中的輻亮度分布由海洋輻射傳遞方程來決定。

輻亮度沿深度z的變化，由垂直衰減系數(shù)к所決定。射到

海面的日光中大約50%是紅外輻射，其中大部分被水深一米以內(nèi)的表層所汲取，因此在水下測得的太陽光譜的峰值正好處于對(duì)海水有最大透射率的藍(lán)綠光附近，盡管它們的入射功率還別到太陽總?cè)肷涔β实?/10，卻是水下光譜的要緊成分，甚至在水深600米處還能用光電法測到。

水下能見度要緊依靠這段光譜，它對(duì)水下動(dòng)物是非常重要的。實(shí)測表明：水下太陽垂直平面內(nèi)的輻亮度角分布隨深度而變化，在表層有明顯的峰值，隨深度增加，峰值減小，最大值逐漸移向天底角，深度達(dá)20個(gè)衰減長度后，輻亮度趨于對(duì)稱的極限分布，此刻輻亮度衰減系數(shù)к趨于極限值k，k與方向無關(guān)，且小于μ值。因而漸近極坐標(biāo)曲面算是一具環(huán)繞垂軸旋轉(zhuǎn)、偏心率為k/μ的橢球。

k/μ只取決于固有光學(xué)性質(zhì)，與大氣光學(xué)狀態(tài)和海況無關(guān)。普賴森多費(fèi)爾在標(biāo)量輻照度衰減系數(shù)к0為常數(shù)的假設(shè)下，用輻射傳遞理論完成了漸近分布存在性的數(shù)學(xué)證明。

⒊輻照度(E)

表示入射到無限小面元上的輻射通量dF與該面積之比。輻照度隨深度z的增加而按指數(shù)律衰減，以海平面為基準(zhǔn)，法線向上的單位面元上接收到的輻射通量，稱為向下輻照度Ed；法線向下的單位面元上接收到的輻射通量，稱為向上輻照度Eu，它們的分布與太陽高度角、光的波長和海水深度有關(guān)。普通海區(qū)表層水的Ed的極大值處于波長為480～500XXX

處。

在大洋水中，隨深度的增加，此峰值移向465XXX。在懸浮顆粒和黃群物質(zhì)較多的混濁海區(qū)，由于挑選汲取的結(jié)果，使極大值移向綠光。輻照度在海洋深層(100～500m)的光譜分布只局限于非常窄的藍(lán)光區(qū)，其向下輻照度的衰減系數(shù)кd也趨于常數(shù)，約為0.03。特殊令人注意的是，對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力有重大妨礙的上升流區(qū)域，浮游植物富集，кd的光譜分布和葉綠素的光譜汲取曲線十分相似。稱為輻照比(反射比)。

R值隨波長、海水的混濁度和深度而變化，普通為1～10%。天空光是部分偏振的，太陽的直射光是非偏振的，但是經(jīng)海面折射進(jìn)入海水后，隨其天頂角的增大而產(chǎn)生部分偏振。當(dāng)透射光被海水和懸浮顆粒散射時(shí)，它的偏振分布會(huì)有非常大的變化。太陽方位角別并且，垂直面上的偏振分布別同。偏振度隨著深度的增大而逐漸減小，到達(dá)輻亮度極限分布的深度后，偏振度也達(dá)到極限值。

研究方向

⒈海洋光學(xué)遙感

海洋光學(xué)遙感的要緊途徑是從宇宙飛船或衛(wèi)星上拍攝海洋的照片或利用星載激光雷達(dá)舉行探測，包括利用可見光對(duì)海洋舉行多光譜攝影，以及紅外與微波波段的觀看。400-600XXX波段的可見光遙感可以依照某海區(qū)上空的云量變

化判斷大氣環(huán)流季節(jié)交替的具體時(shí)刻、從云的分布判斷該海區(qū)水溫的水平和垂直結(jié)構(gòu)；600-700XXX波段能夠觀測到水中沉積物的輸送和廢物排放入海的現(xiàn)象；紅外波段能夠用來觀測厚度約為1m的海洋表面水溫。

海洋光學(xué)遙感可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋水群、海洋環(huán)境、海洋動(dòng)力過程和初級(jí)生產(chǎn)力等海面眨眼信息的大范圍監(jiān)測以及長達(dá)數(shù)年至幾十年的長序列海洋數(shù)據(jù)采集，對(duì)維護(hù)海洋權(quán)益、防災(zāi)減災(zāi)、海洋資源治理與開辟等方面都具有重要的戰(zhàn)略意義。

⒉水下光學(xué)成像

水下光學(xué)成像技術(shù)是認(rèn)識(shí)海洋、開辟利用海洋和愛護(hù)海洋的重要手段和工具，具有探測目標(biāo)直觀、成像分辨率高、信息含量高、圖像質(zhì)量好、畫幅速率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)差不多被廣泛的應(yīng)用于水中目標(biāo)偵察/探測/識(shí)不、水下考古、海底資源勘探、生物研究、水下工程安裝/檢修、水下環(huán)境監(jiān)測、救生打撈等領(lǐng)域。

由于水體對(duì)光能量的高汲取特性和水中微粒對(duì)成像光束的散射，成像距離向來基本上制約水下成像技術(shù)進(jìn)展的瓶頸。為了克服水下惡劣環(huán)境對(duì)成像的妨礙，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和高質(zhì)量的水下成像，人們提出了水下主動(dòng)照明成像、水下距離選通成像、水下激光掃描成像。

水下主動(dòng)照明成像要緊為了解決水下環(huán)境對(duì)成像光束

的高損耗咨詢題，普通使用532XXX左右波長的激光對(duì)成像空間舉行人工主動(dòng)照明，在高損耗的事情下保證成像回波信號(hào)的絕對(duì)能量。主動(dòng)照明在增強(qiáng)成像光束能量的并且，也會(huì)產(chǎn)生大量的后向散射光，妨礙成像質(zhì)量。所以，普通水下照明系統(tǒng)采納成像與照明分離布局，以減少后向散射對(duì)成像的妨礙。

水下距離選通成像技術(shù)有效落低了后向散射光對(duì)成像質(zhì)量的妨礙。關(guān)于主動(dòng)脈沖照明，后向散射光和目標(biāo)反射光到達(dá)成像接收器件具有時(shí)刻差。距離選通成像技術(shù)經(jīng)過操縱成像快門的開閉，將非目標(biāo)反射光束到達(dá)時(shí)刻段的光束隔離在同意器件之外，只接收目標(biāo)反射光束到達(dá)時(shí)刻段的光信號(hào)，達(dá)到排除雜散光干擾，提高接收數(shù)據(jù)的信噪比的目的，進(jìn)而增加成像距離和提高成像質(zhì)量。理論上該技術(shù)的成像距離最遠(yuǎn)可達(dá)到4－6倍衰減長度，該技術(shù)單次成像只能獵取預(yù)設(shè)好距離的目標(biāo)，如對(duì)其他距離成像則需重新設(shè)置快門。

水下激光掃描成像技術(shù)經(jīng)過線掃描或點(diǎn)掃描的方式對(duì)目標(biāo)舉行采樣，然后將采樣信號(hào)按位置拼接得到目標(biāo)的灰度圖像。由于照明激光能量更為集中，單位面積的目標(biāo)反射能量更高，使用該辦法成像能有效的增加回波信號(hào)的強(qiáng)度，從而增加成像距離。理論上，點(diǎn)激光掃描成像技術(shù)最大作用距離能達(dá)到10倍衰減長度。然而由于水體對(duì)準(zhǔn)直光束的擴(kuò)散作用和系統(tǒng)硬件的限制，其成像分辨率較水下距離選通成像技術(shù)低。并且由于其多次采樣的緣故，采樣時(shí)刻較長。

基于壓縮感知理論的水下成像也稱為水下軟距離選通成像，與傳統(tǒng)的距離選通技術(shù)相比，該技術(shù)同樣利用雜散光和回波信號(hào)光的非并且性來排除雜散光對(duì)成像的妨礙。但別設(shè)置距離選通快門等硬件，而是利用水下壓縮感知單像素相機(jī)系統(tǒng)惟獨(dú)一具接收器，接收器件的采樣頻率能夠達(dá)到10Hz，對(duì)激光照明脈沖發(fā)射后的回波信號(hào)全程接收。采樣接收到的是時(shí)刻序列回波信號(hào)，別同距離的回波信號(hào)被按時(shí)刻順序接收。需要對(duì)哪一距離的目標(biāo)成像，則將每一采樣序列中對(duì)應(yīng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)提取出來，組成壓縮感知采樣值向量。將該向量代入重構(gòu)算法中即可計(jì)算出相應(yīng)距離的圖像。相比于水下距離選通成像辦法，該技術(shù)成像距離可提高1倍；相比于水下激光掃描成像技術(shù)，該技術(shù)采樣數(shù)量少60%~90%，大大落低了系統(tǒng)硬件的成本和難度。該技術(shù)具有成像靈便、系統(tǒng)簡單、成本低廉和系統(tǒng)誤差小等諸多優(yōu)點(diǎn)。

⒊光纖水聽技術(shù)

光纖水聽器是以光纖作為傳感和信號(hào)傳輸媒介的新一代先進(jìn)水聲探測聲納裝備。光纖水聽器具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、水下無電、體積小、分量輕、易于組成大規(guī)模陣列等特點(diǎn)，是先進(jìn)光纖光電子技術(shù)與水聲工程技術(shù)交叉融合形成的新興技術(shù)。

按照傳感原理別同，光纖水聽器能夠分為相位調(diào)制型光纖水聽器和波長調(diào)制型光纖水聽器。干相位調(diào)制型光纖水聽

器的水聲敏感部分為光纖干涉儀，當(dāng)聲壓作用在干涉儀上時(shí)，信號(hào)臂長度發(fā)生改變，導(dǎo)致干涉儀輸出光信號(hào)的相位發(fā)生改變，經(jīng)過檢測相位的變化就能夠得到水聲信號(hào)的強(qiáng)度和頻率信息。相位調(diào)制型光纖水聽器的靈敏度與干涉儀的臂差成正比，這意味著要達(dá)到較高的靈敏度，光纖水聽器必須采納非常長的光纖，從而限制了干涉型光纖水聽器的最小尺寸和在超細(xì)線陣等一些重要領(lǐng)域的應(yīng)用。在走向大規(guī)模陣列應(yīng)用的過程中，空分、時(shí)分、波分等各種復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用使得干涉型光纖水聽器陣列體積和技術(shù)復(fù)雜性別斷提高。

隨著光敏光刻技術(shù)的進(jìn)展，在光纖上在線制作光纖光柵功能器件的技術(shù)別斷成熟，這導(dǎo)致了波長調(diào)制型光纖水聽器的廣泛應(yīng)用。波長調(diào)制型光纖水聽器是利用Bragg光纖光柵或DFB光纖激光器的輸出波長對(duì)應(yīng)力的敏感性，將Bragg光纖光柵或DFB光纖激光器等直截了當(dāng)作為水聽器探頭，經(jīng)過檢測聲壓作用導(dǎo)致的波長變化即可得到聲壓信號(hào)的相關(guān)信息。

⒋水下光譜探測

水下光譜分析是海洋光學(xué)的一具重要分支，發(fā)揮了光譜技術(shù)特征性強(qiáng)、提供信息多、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢。

光譜技術(shù)利用光與物質(zhì)的相互作用來研究分子結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性，它能夠經(jīng)過獵取光的發(fā)射、汲取與散射信息，獲得與樣品相關(guān)的化學(xué)信息，如組成成分及成分的動(dòng)態(tài)變化等。依照實(shí)測的水體光譜輻射數(shù)據(jù)，可推導(dǎo)光譜反射率、漫射衰

減系數(shù)等水體光學(xué)參數(shù)，估算海洋光合作用及其初級(jí)生產(chǎn)量，滿腳水群遙感現(xiàn)場光輻射測量、海洋光譜分析和生物-光學(xué)算法開辟等需求。再結(jié)合光譜成像技術(shù)，利用珊瑚、礁石等產(chǎn)生的特別譜信息，就能對(duì)地形地貌及其屬性舉行詳細(xì)推斷，也為海底測繪提供了更多珍貴信息。

⒌水下激光通信

水下激光通信結(jié)合了通信速率高和無線鏈接的優(yōu)勢