海洋光学综述.docx

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海洋光学综述

海洋光学综述

海洋光学是研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律和运用光学技术探测海洋的科学。

它是海洋物理学的分支学科，又是光学的分支学科。

光电子学方法是海洋光学测量的主要手段，基础研究中包括实验和理论两方面。

实验方面主要运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。

一、发展简史

早在19世纪初，就有人用透明度盘目测自然光在海中的铅直衰减。

从19世纪末开始，海洋学家才比较注意研究海洋的光学性质，并结合海洋初级生产力的研究，用光电方法测量海洋的辐照度。

到了20世纪30年代，瑞典等国的科学家设计制造了测定海水的线性衰减系数、体积散射系数和光辐射场分布的海洋光学仪器，进行了一系列现场测量。

从第二次世界大战后到60年代中期，是海洋光学的发展时期：

1947〜1948年，瑞典科学家在环球深海调查中（“信天翁”号），首次将海洋光学调查列入重要的海洋调查计划，测量了辐照度、衰减和散射等；

1950〜1952年，丹麦人在环球深海调查中，致力研究了重要海区的初级生产力和光辐照之间的关系；

1957〜1958年，在国际地球物理年（IGY）的调查中，测量了北大西洋的水文要素和光学参数，并研究其相互的关系。

美国、苏联、法国等国，相继建立了实验基地，详尽研究了海水固有光学性质和海洋表观光学性质之间的关系；美国R.W普赖森多费尔提出了比较系统的海洋光学理论，发展了海洋辐射传递理论；一些学者对水中能见度理论、海洋光学测量模型、光辐射场与海水固有光学性质之间的关系，进行了比较系统的研究。

60年代中期以后，随着近代光学、激光、计算机科学、光学遥感和海洋科学的发展，海洋光学得到了进一步的发展，特别是结合信息传递的要求，用蒙特卡罗方法较好地解决了激光在水中的传输、海面向上光辐射与海水固有光学性质之间的关系等问题，使海洋光学从传统的唯象研究转入物理的和技术的研究。

二、研究内容

（一）基础研究

包括实验和理论两方面。

实验方面主要运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。

可见光波段是能透入海中的电磁波的主要波段，其传播规律决定于海洋水体的散射和吸收等性质。

各海区的光学性质和海洋水体的组分密切相关，因此海洋光学调查是研究区域海洋光学性质的主要手段。

在理论研究方面，海洋辐射传递理论是海洋光学的主要理论基础，从辐射传递方程出发，主要运用随机模拟方法和蒙特卡罗法，建立各种辐射传递模型，包括分层结构海洋水体、均匀海洋水体、海洋-大气系统、窄光束水中传输等模型、规律。

（二）海面光辐射研究

主要研究日光射入海洋后，经过辐射传递过程所产生的、由海洋表层向上的光谱辐射场。

它是光学遥感探测海洋的主要信息来源，是建立光学海洋遥感模型的重要依据。

（三）水中能见度

主要研究水中的视程和图象在水中的传输问题。

由海洋辐射传递方程出发，可导出水中对比度传输方程和水中图象传输方程，用以研究水中的图象系统。

（四）激光与海水的相互作用

主要研究激光在水中受到的散射、吸收及其所遵循的传输过程。

70年代以后对海水激光荧光和海水受激拉曼散射的研究，为激光测水深、海水的化学分析和海洋的温度、盐度按深度的分布，打下了基础。

（五）海洋水体的光学传递函数

用线性系统理论研究海洋水体对光的散射和吸收的过程。

主要研究海水点扩展函数、海水光学传递函数与海水固有光学参数的关系。

它是建立海洋激光雷达方程和水中图象系统质量分析的重要依据。

基本参数性质

太阳和天空辐射通过海面进入海中所形成的海洋辐射场分布，主要表现为辐亮度分布、辐照度衰减、辐照比和偏振特性等所有与辐射场有关的光学性质。

1.衰减长度（AL）

单色准直光束通过海水介质，辐射能呈指数衰减变化。

海水的体积衰减系数是波长的函数，通常认为近岸海水的光谱透射窗口（即在此波段，光在海水中的衰减最小，透射最大）为0.520um,体积衰减系数约为0.2〜0.6m,其衰减长度约为1.2〜5m。

大洋清洁海水的光谱透射窗口为0.480um,

体积衰减系数约为0.05m，其衰减长度约为20m。

2.辐亮度（L）

表示单位立体角dQ和单位发射面积dA发出的辐射通量，L=d2F/dAcosBdQ。

B是光束与dA的法线的夹角。

水中的辐亮度分布由海洋辐射传递方程来决定。

辐亮度沿深度z的变化，由垂直衰减系数k所决定。

射到

海面的日光中大约50%是红外辐射，其中大部分被水深一米以内的表层所吸收，所以在水下测得的太阳光谱的峰值正好处于对海水有最大透射率的蓝绿光附近，虽然它们的入射功率还不到太阳总入射功率的1/10，却是水下光谱的主要成分，

甚至在水深600米处还能用光电法测到。

水下能见度主要依赖这段光谱，它对水下动物是很重要的。

实测表明：

水下太阳垂直平面内的辐亮度角分布随深度而变化，在表层有明显的峰值，随深度增加，峰值减小，最大值逐渐移向天底角，深度达20个衰减长度后，辐亮度趋

于对称的极限分布，此时辐亮度衰减系数k趋于极限值k,k

与方向无关，且小于卩值。

因而渐近极坐标曲面就是一个围绕垂轴旋转、偏心率为k/□的椭球。

k/□只取决于固有光学性质，与大气光学状态和海况无关。

普赖森多费尔在标量辐照度衰减系数K0为常数的假设下，用辐射传递理论完成了渐近分布存在性的数学证明。

3.辐照度（E）

表示入射到无限小面元上的辐射通量dF与该面积之比。

辐照度随深度z的增加而按指数律衰减，以海平面为基准，法线向上的单位面元上接收到的辐射通量，称为向下辐照度Ed;法线向下的单位面元上接收到的辐射通量，称为向上辐照度Eu,它们的分布与太阳高度角、光的波长和海水深度有

关。

一般海区表层水的Ed的极大值处于波长为480〜500nm处。

在大洋水中，随深度的增加，此峰值移向465nm。

在悬浮颗粒和黄色物质较多的混浊海区，由于选择吸收的结果，使极大值移向绿光。

辐照度在海洋深层（100〜500m）的光谱分布只局限于很窄的蓝光区，其向下辐照度的衰减系数kd也趋于常数，约为0.03。

特别令人注意的是，对海洋初级生产力有重大影响的上升流区域，浮游植物富集，kd的光谱分布和

叶绿素的光谱吸收曲线十分相似。

称为辐照比（反射比）。

R值随波长、海水的混浊度和深度而变化，一般为1〜

10%。

天空光是部分偏振的，太阳的直射光是非偏振的，然而经海面折射进入海水后，随其天顶角的增大而产生部分偏振。

当透射光被海水和悬浮颗粒散射时，它的偏振分布会有很大的变化。

太阳方位角不同时，垂直面上的偏振分布不同。

偏振度随着深度的增大而逐渐减小，到达辐亮度极限分布的深度后，偏振度也达到极限值。

研究方向

1.海洋光学遥感

海洋光学遥感的主要途径是从宇宙飞船或卫星上拍摄海洋的照片或利用星载激光雷达进行探测，包括利用可见光对海洋进行多光谱摄影，以及红外与微波波段的观察。

400-600nm波段的可见光遥感能够根据某海区上空的云量变

化推断大气环流季节交替的具体时间、从云的分布推断该海区水温的水平和垂直结构；600-700nm波段可以观测到水中

沉积物的输送和废物排放入海的现象；红外波段可以用来观测厚度约为1m的海洋表面水温。

海洋光学遥感能够实现对海洋水色、海洋环境、海洋动力过程和初级生产力等海面瞬间信息的大范围监测以及长达数年至几十年的长序列海洋数据采集，对维护海洋权益、防灾减灾、海洋资源管理与开发等方面都具有重要的战略意义。

2.水下光学成像

水下光学成像技术是认识海洋、开发利用海洋和保护海洋的重要手段和工具，具有探测目标直观、成像分辨率高、信息含量高、图像质量好、画幅速率高、体积小等优点。

该技术已经被广泛的应用于水中目标侦察/探测/识别、水下考

古、海底资源勘探、生物研究、水下工程安装/检修、水下环

境监测、救生打捞等领域。

由于水体对光能量的高吸收特性和水中微粒对成像光束的散射，成像距离一直都是制约水下成像技术发展的瓶颈。

为了克服水下恶劣环境对成像的影响，实现远距离和高质量的水下成像，人们提出了水下主动照明成像、水下距离选通成像、水下激光扫描成像。

水下主动照明成像主要为了解决水下环境对成像光束的咼损耗问题，一般使用532nm左右波长的激光对成像空间进行人工主动照明，在高损耗的情况下保证成像回波信号的绝对能量。

主动照明在增强成像光束能量的同时，也会产生大量的后向散射光，影响成像质量。

因此，一般水下照明系统采用成像与照明分离布局，以减少后向散射对成像的影响。

水下距离选通成像技术有效降低了后向散射光对成像质量的影响。

对于主动脉冲照明，后向散射光和目标反射光到达成像接收器件具有时间差。

距离选通成像技术通过控制成像快门的开闭，将非目标反射光束到达时间段的光束隔离在接受器件之外，只接收目标反射光束到达时间段的光信号，达到排除杂散光干扰，提高接收数据的信噪比的目的，进而增加成像距离和提高成像质量。

理论上该技术的成像距离最远可达到4-6倍衰减长度，该技术单次成像只能获取预设好距离的目标，如对其他距离成像则需重新设置快门。

水下激光扫描成像技术通过线扫描或点扫描的方式对目标进行采样，然后将采样信号按位置拼接得到目标的灰度图像。

由于照明激光能量更为集中，单位面积的目标反射能量更高，使用该方法成像能有效的增加回波信号的强度，从而增加成像距离。

理论上，点激光扫描成像技术最大作用距离能达到10倍衰减长度。

但是由于水体对准直光束的扩散作用和系统硬件的限制，其成像分辨率较水下距离选通成像技术低。

同时由于其多次采样的原因，采样时间较长。

基于压缩感知理论的水下成像也称为水下软距离选通成像，与传统的距离选通技术相比，该技术同样利用杂散光和回波信号光的非同时性来排除杂散光对成像的影响。

但不设置距离选通快门等硬件，而是利用水下压缩感知单像素相机系统只有一个接收器，接收器件的采样频率可以达到10Hz，对激光照明脉冲发射后的回波信号全程接收。

采样接收到的是时间序列回波信号，不同距离的回波信号被按时间顺序接收。

需要对哪一距离的目标成像，则将每一采样序列中对应时间的数据提取出来，组成压缩感知采样值向量。

将该向量代入重构算法中即可计算出相应距离的图像。

相比于水下距离选通成像方法，该技术成像距离可提高1倍；相

比于水下激光扫描成像技术，该技术采样数量少60%〜90%,

大大降低了系统硬件的成本和难度。

该技术具有成像灵活、系统简单、成本低廉和系统误差小等诸多优点。

3.光纤水听技术

光纤水听器是以光纤作为传感和信号传输媒介的新一代先进水声探测声纳装备。

光纤水听器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐恶劣环境、水下无电、体积小、重量轻、易于组成大规模阵列等特点，是先进光纤光电子技术与水声工程技术交叉融合形成的新兴技术。

按照传感原理不同，光纤水听器可以分为相位调制型光纤水听器和波长调制型光纤水听器。

干相位调制型光纤水听器的水声敏感部分为光纤干涉仪，当声压作用在干涉仪上时，信号臂长度发生改变，导致干涉仪输出光信号的相位发生改变，通过检测相位的变化就可以得到水声信号的强度和频率信息。

相位调制型光纤水听器的灵敏度与干涉仪的臂差成正比，这意味着要达到较高的灵敏度，光纤水听器必须采用很长的光纤，从而限制了干涉型光纤水听器的最小尺寸和在超细线阵等一些重要领域的应用。

在走向大规模阵列应用的过程中，空分、时分、波分等各种复用技术的应用使得干涉型光纤水听器阵列体积和技术复杂性不断提高。

随着光敏光刻技术的发展，在光纤上在线制作光纤光栅功能器件的技术不断成熟，这导致了波长调制型光纤水听器的广泛应用。

波长调制型光纤水听器是利用Bragg光纤光栅

或DFB光纤激光器的输出波长对应力的敏感性，将Bragg光

纤光栅或DFB光纤激光器等直接作为水听器探头，通过检测

声压作用导致的波长变化即可得到声压信号的相关信息。

4.水下光谱探测

水下光谱分析是海洋光学的一个重要分支，发挥了光谱技术特征性强、提供信息多、应用范围广等优势。

光谱技术利用光与物质的相互作用来研究分子结构及动态特性，它可以通过获取光的发射、吸收与散射信息，获得与样品相关的化学信息，如组成成分及成分的动态变化等。

根据实测的水体光谱辐射数据，可推导光谱反射率、漫射衰

减系数等水体光学参数，估算海洋光合作用及其初级生产量，满足水色遥感现场光辐射测量、海洋光谱分析和生物-光学算法开发等需求。

再结合光谱成像技术，利用珊瑚、礁石等产生的特殊谱信息，就能对地形地貌及其属性进行详细判断，也为海底测绘提供了更多宝贵信息。

5.水下激光通信

水下激光通信结合了通信速率高和无线链接的优势，克服了水声通信的带宽窄、载频低、延迟大等缺点。

典型的下激光通信系统主要由发射子系统、水下信道、接收子系统三大部分组成。

来自信源的信息数据，通过数字转换、信息编码和调制等过程后变为电信号；电信号驱使激光器发射离散的激光脉冲信号，通过光学系统准直并进入水下信道；接收子系统通过光电检测器件将接收到的光信号还原为电压或电流电信号，完成信号放大、解调和信息解码后恢复原始信息数据。

水下激光通信技术在海水环境监测、水下无人航行器

（AUV,UUV）和水面船只通信、水下传感器组网、海洋矿藏探索以及水下设施的视频监控等应用中具有十分重要的经济价值和战略意义。