復(fù)雜海洋光場建模方法及其應(yīng)用探索

1、河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）復(fù)雜海洋光場建模方法及其應(yīng)用探索摘 要進(jìn)入二十一世紀(jì)后，新科學(xué)技術(shù)革命崛起的步伐越來越迅速，世界各國之間的競爭不單單是領(lǐng)土的爭斗，特別是隨著全球自然資源的日漸匱乏，海洋作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域，開始吸引越來越多的國家加入對海洋科技的競爭。海洋光場的研究在氣象、軍事、農(nóng)業(yè)、影視娛樂等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用需求。近來，國內(nèi)外在海洋環(huán)境的建模和仿真方面已有很多研究，但主要涉及光的傳輸特性，更側(cè)重于水面光影效果的模擬或致力于生成空氣介質(zhì)中真實(shí)感的三維動(dòng)畫，而很少涉足動(dòng)態(tài)海洋光場的建模問題。本文主要研究風(fēng)海波影響下的海洋動(dòng)態(tài)光場建模方法，通過對光場立體剖面的建模、洋流

2、運(yùn)動(dòng)的建模、溫鹽密特性物理分析及任一平面內(nèi)光場輻射度仿真等定性與定量研究，建立一種粗粒度的動(dòng)態(tài)光場實(shí)時(shí)仿真模型，利用matlab軟件開發(fā)基于該模型的交互式水下光場剖面仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜海洋光場動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的系統(tǒng)化表征。通過展示XY面、XZ面和YZ面的光照輻射度隨海洋特性變化的動(dòng)態(tài)仿真圖，為全立體海洋光場實(shí)時(shí)繪制提供技術(shù)支撐，可用于實(shí)現(xiàn)水下航行器深海環(huán)境探測任務(wù)。利用matlab計(jì)算建模方法，更簡單直觀，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)效果及人機(jī)交互。關(guān)鍵詞：海洋光場，風(fēng)海波，建模，動(dòng)態(tài)，matlab仿真 Exploring the Modeling Method and its Application to Com

3、plex Marine Light FiledABSTRACTSince entering the 21st century, the rise of the pace of the new science and technology revolution has been increasingly rapid. What's more, the competition among countries all over the world is not only a territorial fight. Especially with growing scarcity of natu

4、ral resources in the world, marine as an important area of high and new technology industry development, has began to attract more and more countries to join the competition of marine science and technology. The research of marine light field in the military, agriculture, meteorology, film and telev

5、ision entertainment industry has a wide range of application requirements. Recently, there are a lot of research in the modeling and simulation of the Marine environment at home and abroad, but they mainly relate to optical transmission characteristics, and focus more on the surface of light and sha

6、dow to simulate or to generate realistic 3 d animation in air medium, which seldom dabble in dynamic ocean modeling problems of the light field. This paper mainly studies modeling methods of the ocean dynamic light field under the influence of wind waves. Through qualitative and quantitative researc

7、h of the light field three-dimensional profile modeling, the modeling of ocean currents, thermohaline characteristics physical analysis and any plane light field radiation simulation, ect. we can establish a coarse-grained dynamic real-time simulation model of optical field and develop interactive u

8、nderwater light field profile simulation system based on the model by using MATLAB software, which can realize complex marine light field systematic characterization of dynamic characteristics of indicators. By showing the XLAT plane, the XZ plane and the LATZ plane light radiation intensity dynamic

9、 simulation diagrams changing with Marine features, it provides full three-dimensional ocean light field real-time rendering technical support, which can be used to help the deep underwater vehicle implement environment detection tasks. What's more, MATLAB calculation modeling method is more sim

10、ple and intuitive, which can realize the dynamic effect and human-computer interaction. KELAT WORDS：marine field, wind sea, modeling, dynamic state, MATLAB simulation10目錄 前言1第1章 復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真方法16,174§1.1 復(fù)雜系統(tǒng)的簡單說明4§1.2 建模與仿真6§1.2.1 仿真的基本概念6第2章 MATLAB/SIMULINK建模仿真技術(shù)11§2.1 MATLAB/SIML

11、INK概述11§2.1.1 MATLAB簡介11§2.1.2 MATLAB編程環(huán)境的特點(diǎn)11§2.1.3 SIMULINK仿真工具簡介13§2.2 MATLAB/SIMULINK的建模方法15第3章 海洋水體中光的傳輸特性17§3.1 海洋中的光及其重要作用17§3.2 海洋中光的傳輸特性17§3.3 Monte Carlo模型18第4章 交互式動(dòng)態(tài)海洋光場建模21§4.1 海洋光場模型的建立21§4.1.1 基于stokes理論的光場二維數(shù)學(xué)模型的建立21§4.1.2 基于MATLAB的光場二

12、維剖面22§4.2 風(fēng)海波影響下海洋動(dòng)態(tài)光場的建立25§4.2.1 三維海洋波浪曲面的生成25§4.2.2 三維海洋光場圖形的獲得26§4.2.3 三維海洋光場動(dòng)態(tài)圖的制作28結(jié)論30參考文獻(xiàn)31致謝33前言覆蓋地球表面71%的海洋是人類生產(chǎn)和生活不可缺少的領(lǐng)域。作為生命的起源地，海洋對人類的影響將會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷的快速增長。近年來，隨著礦產(chǎn)資源的日益匱乏、生態(tài)環(huán)境的遭受到越來越嚴(yán)重的破壞，陸地可開發(fā)利用的資源越來越少，海洋成了人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的希望。眾多領(lǐng)域的國內(nèi)外專家都預(yù)言說，人類的新世紀(jì)將是海洋的世紀(jì)，人類的明天將主要依靠海洋。眾所周知，除了

13、蘊(yùn)藏豐富的海洋資源以外，遼闊的海域起著調(diào)節(jié)全球氣候、保持水循環(huán)的作用，而且還是交通的通道、防御外敵入侵的天然屏障，所以越來越多的國家卷入爭取海域行使權(quán)的戰(zhàn)爭中。但是，擺在我們面前的現(xiàn)實(shí)說明如何正確、合理地開發(fā)利用海洋、發(fā)展海洋事業(yè)才是人類的文明進(jìn)步的大事。光場（light field），于1846年最早由法拉第給出的定義，是指光在每一個(gè)方向通過任一點(diǎn)的光量。研究海洋光場首先要了解海洋光學(xué)。海洋光學(xué)1（或者說是水文光學(xué)），是一門研究光與自然水體如何互相作用的學(xué)問。過去以及現(xiàn)在乃至未來對海洋的研究重點(diǎn)一直在海洋的許多經(jīng)濟(jì)和軍事應(yīng)用方面。大部分人只知道海洋生產(chǎn)大多數(shù)人類日常生活需要的魚，卻不知其生產(chǎn)

14、最終是由極其微小的藻類如何吸收和利用太陽光所控制的。而且，為了確保國家安全，人們一直在尋找如何進(jìn)入和利用海洋的方法。這類探索活動(dòng)要求用可見光入射到海洋以此去探測和發(fā)現(xiàn)潛在的威脅，或是搞清楚具有戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)價(jià)值區(qū)域的特征。 海洋光場先進(jìn)的可視化技術(shù)在氣象、農(nóng)業(yè)、軍事、影視娛樂等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用需求。虛擬的海洋環(huán)境主要由波動(dòng)海面、海面的反射和折射、海空云霧、太陽等組成?；谝延械暮Ｑ蠊鈭龅臍庀髷?shù)據(jù)，可以運(yùn)用物理學(xué)和圖形學(xué)相結(jié)合的方法構(gòu)建海洋環(huán)境的海面、光照效果等的三維可視化模型，來處理海面波動(dòng)、光反射和折射等可視化實(shí)時(shí)仿真難題。本文主要研究風(fēng)海波影響下的海洋動(dòng)態(tài)光場建模方法，通過對光場立體剖面的建模

15、、洋流運(yùn)動(dòng)的建模、溫鹽密特性物理分析及任一平面內(nèi)光場輻射度仿真等定性與定量研究，建立一種粗粒度的動(dòng)態(tài)光場實(shí)時(shí)仿真模型，利用matlab軟件開發(fā)基于該模型的交互式水下光場剖面仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜海洋光場動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的系統(tǒng)化表征，可用于水下航行器深海環(huán)境探測任務(wù)。所生成的動(dòng)態(tài)海洋光場模型真實(shí)性良好，且能滿足計(jì)算機(jī)仿真的可視化、實(shí)時(shí)性等要求。 近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，國內(nèi)外在海洋環(huán)境的建模和仿真方面已有很多研究。如，楊懷平2等人應(yīng)用海浪頻譜和方向譜的相關(guān)公式，完成了基于海浪譜的波浪造型及其顯示的研究；王茂生3提出三維海洋虛擬現(xiàn)實(shí)場景建模及初步實(shí)現(xiàn)研究，實(shí)現(xiàn)了海洋海底場景的虛擬再現(xiàn)；郭松4的水下非均

16、勻光場建立方法的研究，提出了新的目標(biāo)圖像探測方法，并基于該研究方法提出了一種理想的分布光場模式在水下三維空間坐標(biāo)軸上按所在水介質(zhì)光衰減規(guī)律分布的非均勻照明光場。 在海洋光場的研究上，D. Arnush5通過研究米氏粒子散射環(huán)境中的光輻射傳輸，并假設(shè)小角度散射，得到了海水中傳輸光場的近似解析解。Jerry Tessendorf6采用快速傅里葉變換法生成了平鋪的高程圖，并隨后對海浪進(jìn)行了建模和仿真。Vladimir Belyaev7通過對Jerry的海浪研究的分析，對構(gòu)建的水面網(wǎng)格進(jìn)行了層次化、細(xì)節(jié)化處理，并加入了光在水面發(fā)生反射和折射的效果，進(jìn)一步提高了模擬水面的真實(shí)感。Kei Iwasaki8

17、利用計(jì)算機(jī)中圖形繪制的硬件設(shè)施，對小面積水域進(jìn)行研究分析，成功實(shí)現(xiàn)了對水面折射、反射光影效果的快速模擬。 在海洋光場建模方面，MOREL9,10做出了很多貢獻(xiàn)，為后人的研究做了很好的鋪墊。他成功仿真出了波長為490nm的光在海洋中進(jìn)行輻射傳輸?shù)墓鈱W(xué)特性。海洋是一種復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，而且變化多端，所以對光場的建模更是存在很大的困難。海面環(huán)境較之陸地地形等其它實(shí)物是一種極其復(fù)雜的自然環(huán)境，因?yàn)楹Ｆ矫媸謴V闊，并且由于風(fēng)的作用海水水體的形狀是不斷變化的，形成的海面形狀也是隨機(jī)的、動(dòng)態(tài)的。海水的波動(dòng)是受到各種力的作用而綜合產(chǎn)生的，同時(shí)海面也會(huì)與水面上方的物體，周圍環(huán)境中的物體相互作用，相互影響，產(chǎn)生各種

18、各樣的視覺效果，而且基于水力學(xué)的海水模型通常都是非常難解的偏微分方程，所以對海面的模擬十分困難，對海面下光場模型的建立也很困難。Martin Hieronymi和Andreas Macke11通過多次仿真，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論：在水下，光是可變的，而且光的可變性由水面的形狀即波動(dòng)聚焦效果的特殊性決定，而且相應(yīng)水紋強(qiáng)度的增加與否以及光的可變性分布情況都取決于不規(guī)則水波場的形狀，而光的特殊時(shí)空波動(dòng)狀態(tài)很大可能是由疊生單一波形造成的。運(yùn)用物理及地理方面知識對近海測量以及進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，P. Gerne 和D. Antoine 12總結(jié)出了水下光場強(qiáng)度與水深的衰減關(guān)系并得到了光場的衰減系數(shù)，

19、由此構(gòu)建出了光線在波動(dòng)海面下傳輸?shù)墓庹漳Ｐ汀?近幾十年來，針對光場模型繪制的方法，人們提出了許多研究方案。但這些傳統(tǒng)的方法更側(cè)重于大氣-水面光影效果的模擬或?qū)Ｑ髨鼍暗奶綔y，而對水下光場及光影的動(dòng)態(tài)效果建模問題涉及較少。更準(zhǔn)確的說，上述這些國內(nèi)外研究理論模型只對實(shí)際的光傳輸情況作了近似處理，而很少涉足動(dòng)態(tài)海洋光場的建模。 本文主要針對風(fēng)海波影響下的海洋光場，進(jìn)行動(dòng)態(tài)海洋光場建模方法的研究，通過對光場立體剖面的建模、溫鹽密特性物理分析及任一平面內(nèi)光場輻射度仿真等定性與定量研究，建立一種粗粒度的動(dòng)態(tài)光場實(shí)時(shí)仿真模型。利用MATLAB軟件開發(fā)基于該模型的交互式水下光場剖面仿真系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜海洋光

20、場動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的系統(tǒng)化表征。 大致實(shí)施步驟為：1，分析光場的傳輸特性，為建立光場數(shù)學(xué)模型做準(zhǔn)備。2，將變化復(fù)雜的海面實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)建成簡單的數(shù)學(xué)模型。3，利用已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB仿真軟件繪制出海洋光場的二維剖面圖，并進(jìn)行色彩處理，使得到的圖形更真實(shí)。4，將二維圖形方程拓展為三維的形式，和步驟三相同進(jìn)行MATLAB仿真，得到立體的海洋光場圖。第1章 復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真方法16,17§1.1 復(fù)雜系統(tǒng)的簡單說明1.系統(tǒng)概念系統(tǒng)類似于數(shù)學(xué)上的集合，具有某些特定的功能，并能將相互之間有影響、有依存關(guān)系的若干部分按照一定的規(guī)律結(jié)合起來。嚴(yán)格來說，系統(tǒng)是完整的、有序的、不可分割的整

21、體。它是一個(gè)廣泛的概念，可以泛指自然界的一切現(xiàn)象和過程。在現(xiàn)代科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，系統(tǒng)框架幾乎可以解決各個(gè)領(lǐng)域存在的各種問題。各種工程系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等此類系統(tǒng)是由人工制造的各類物體組成的。有的系統(tǒng)完全由自然界和自然物構(gòu)成，如星際系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、海洋系統(tǒng)等。2.系統(tǒng)分類系統(tǒng)千差萬別，種類繁多，有非常簡單的也有十分復(fù)雜的。系統(tǒng)是普遍存在的。按照不同的分類方法可以將系統(tǒng)分成不同的類型。根據(jù)物理特征，系統(tǒng)可分為工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)。其中，電氣、機(jī)械、化工等方面的系統(tǒng)都屬于工程系統(tǒng)。社會(huì)、交通、管理、生態(tài)等方面的系統(tǒng)屬于非工程系統(tǒng)。由此可知，海洋光場屬于非工程系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)變量是否連續(xù)變化，

22、分為連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和連續(xù)/離散混合系統(tǒng)。由于海洋中的風(fēng)海波、溫度、鹽度、密度等干擾因素以及狀態(tài)變量的離散性，可知海洋光場系統(tǒng)是復(fù)雜離散的非工程系統(tǒng)。3.系統(tǒng)的基本特征一個(gè)完整的系統(tǒng)，通常都具有整體性、相關(guān)性、有序性和動(dòng)態(tài)性四個(gè)基本特征。實(shí)際應(yīng)用中，任何系統(tǒng)都存在著實(shí)體、屬性、活動(dòng)三個(gè)方面的研究內(nèi)容，稱之為系統(tǒng)的三要素。實(shí)體是組成系統(tǒng)的具體對象，如海洋光場中的海洋、陽光和一切干擾因素如風(fēng)等都屬于實(shí)體；屬性是系統(tǒng)中的實(shí)體所具有的特征或狀態(tài)參數(shù)；活動(dòng)則反映了系統(tǒng)的變化規(guī)律，是指系統(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)的過程，如光從大氣經(jīng)海面發(fā)生折射反應(yīng)進(jìn)入海水的過程就是一次活動(dòng)。組成系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)體之間通常

23、會(huì)發(fā)生相互作用，比如在太陽光進(jìn)入海水時(shí)，會(huì)被海水吸收一部分，還會(huì)由于大氣和海水介質(zhì)的折射率不同而發(fā)生光線的偏折，實(shí)體屬性的這些變化一般用狀態(tài)變量來描述。在對系統(tǒng)進(jìn)行研究過程中，除了要對系統(tǒng)的實(shí)體、屬性、活動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)研究外，還要研究影響系統(tǒng)活動(dòng)的外部條件，這些外部條件被稱為環(huán)境。如本文研究中，除了要了解海洋的特性，光的傳輸特性，還要對影響海洋光場狀態(tài)的風(fēng)速、洋流運(yùn)動(dòng)、海水的溫度、鹽度、密度等有充分考慮。從嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度上說，研究系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分是研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過程。即，光在大氣、海洋表面、海水中的一系列反應(yīng)。其實(shí)，介紹系統(tǒng)概念最主要目的是能更加深入的認(rèn)識系統(tǒng)并熟練掌握系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。復(fù)雜工程

24、、自然界和現(xiàn)代社會(huì)中存在著各種各樣復(fù)雜的問題，為了更準(zhǔn)確得心應(yīng)手地處理這些棘手的問題，不僅要對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行定性地了解，還要定量地分析、綜合所要研究的系統(tǒng)。其中，建立系統(tǒng)模型是定量分析、綜合系統(tǒng)等眾多辦法中最方便、合適的方法，對系統(tǒng)模型的解算可以使用數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真的方法。4.系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型是計(jì)算機(jī)仿真所要研究的直接對象，它是對實(shí)際系統(tǒng)的一種抽象。通過分析系統(tǒng)某種特性，或?qū)ο到y(tǒng)本質(zhì)和內(nèi)在關(guān)系的描述，系統(tǒng)模型可以用來研究系統(tǒng)功能及其各部件間的作用規(guī)律。為了定量分析系統(tǒng)，需要構(gòu)造出系統(tǒng)的模型，而構(gòu)造模型的關(guān)鍵是將系統(tǒng)本身的特點(diǎn)和內(nèi)部的相互關(guān)系抽象起來。系統(tǒng)模型可分為物理模型又稱為實(shí)體模型，數(shù)學(xué)

25、模型以及虛擬模型（或仿真模型）三大類。其中，物理模型18指不以人的意志為轉(zhuǎn)移而客觀存在的實(shí)體。如，海洋光場中建立的大氣-海洋模型。數(shù)學(xué)模型是更清晰、更實(shí)用的模型，它主要運(yùn)用的是數(shù)學(xué)方法，從某種特定的功能或結(jié)構(gòu)上對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行模擬，從而使原來真實(shí)系統(tǒng)的功能或結(jié)構(gòu)特征以數(shù)學(xué)的形式重新實(shí)現(xiàn)。仿真模型指的是應(yīng)用仿真語言將系統(tǒng)已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為可以被計(jì)算機(jī)實(shí)施的模型。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)學(xué)模型被應(yīng)用的機(jī)會(huì)越來越多。在海洋光場模型的建立過程中，首先就是要把復(fù)雜的海洋模型轉(zhuǎn)化為物理模型，然后再轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的。§1.2 建模與仿真現(xiàn)代建模與仿真技術(shù)是建立在相似原理、模型理

26、論、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)之上的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)?，F(xiàn)代建模與仿真技術(shù)依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)用相關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器等工具，利用已經(jīng)建立的相關(guān)模型參與到已有的或假想的系統(tǒng)中進(jìn)行分析、研究、設(shè)計(jì)等各種生產(chǎn)研發(fā)活動(dòng)。 近五十多年來，建模與仿真技術(shù)已經(jīng)得到了越來越多科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的普遍需求。因?yàn)橛嘘P(guān)學(xué)科技術(shù)的日漸成熟，使在它們推動(dòng)下的建模與仿真技術(shù)迅速發(fā)展成為相對全面的專業(yè)技術(shù)體系，并迅速地發(fā)展為一項(xiàng)通用性、戰(zhàn)略性很強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)。建模與仿真技術(shù)與高性能計(jì)算（ High Performance Computing ）一起成為了科學(xué)領(lǐng)域中繼理論、實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)研究之后的

27、第三種認(rèn)識，而且成為了改造客觀世界的重要手段。它在航空、航天、信息、生物、材料、能源、先進(jìn)制造等高新技術(shù)和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、教育、醫(yī)學(xué)生命、娛樂、生活服務(wù)等眾多方面得到了成功的應(yīng)用19。§1.2.1 仿真的基本概念“仿真20是一項(xiàng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的數(shù)字化技術(shù)，它包括數(shù)字與邏輯模型的某些模式，這些模型描述某一事件或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)（或者它們的某些部分）在若干周期內(nèi)的特征?！边@是內(nèi)勒（T.H.Naylor）在1966年對仿真作的定義。計(jì)算機(jī)仿真的基本思想是利用已經(jīng)建立的物理或數(shù)學(xué)模型來類比模仿現(xiàn)實(shí)的活動(dòng)過程，進(jìn)而探索對實(shí)際系統(tǒng)真實(shí)活動(dòng)過程。根據(jù)歷來國內(nèi)外計(jì)算機(jī)仿真界學(xué)者對仿真的理解，可概括出如

28、下定義：計(jì)算機(jī)仿真是對真實(shí)系統(tǒng)的模擬，是一門建立在計(jì)算機(jī)仿真、控制、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等理論基礎(chǔ)上的多學(xué)科綜合性技術(shù)。仿真是連接真實(shí)系統(tǒng)和仿真模型的橋梁，為控制系統(tǒng)的分析、研究設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等提供了經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、有效的方法。1.計(jì)算機(jī)仿真的要素及基本操作步驟1）計(jì)算機(jī)仿真的要素系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)仿真的要素包含系統(tǒng)、模型和計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)為研究的對象；模型是對系統(tǒng)的抽象；計(jì)算機(jī)為建模、仿真實(shí)驗(yàn)和對結(jié)果的分析的工具和手段。仿真過程如圖1-1所示。 建立數(shù)學(xué)模型 仿真實(shí)驗(yàn)建立仿真模型 圖1-1 仿真三要素及其對應(yīng)關(guān)系2）計(jì)算機(jī)仿真的基本步驟 建立數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)仿

29、真的主要依據(jù)。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 建立仿真模型 計(jì)算機(jī)是一個(gè)高級工具，它所識別的語言是特殊的、專門的。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般是用數(shù)學(xué)定律、公式、方程等表達(dá)的，計(jì)算機(jī)通常不能直接識別這些方式。所以直接得到的原始的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并不能直接用來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，還必須將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識別的而且能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真的模型。 編制系統(tǒng)仿真程序 toolbox、Simulink是MATLAB中的關(guān)鍵模塊，在系統(tǒng)仿真等操作中起了很重要的作用。應(yīng)用toolbox及其Simulink仿真集成環(huán)境作為仿真工具就是MATLAB仿真。 仿真實(shí)驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果 仿真實(shí)驗(yàn)是對

30、仿真過程真實(shí)性的檢驗(yàn)。如圖1-2給出了數(shù)字仿真的具體步驟以及主要的工作流程。開始對象（任務(wù)）分析方案設(shè)計(jì)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型修改數(shù)學(xué)模型模型分析修改仿真模型建立仿真模型修改仿真程序編寫仿真程序仿真運(yùn)行仿真研究（多次運(yùn)行，尋優(yōu)，統(tǒng)計(jì)等）系統(tǒng)模型問題？仿真模型問題？ Y Y程序問題？ N合理？理？ 理？ N N N 結(jié)果分析？ Y Y仿真結(jié)果處理結(jié)束圖1-2 仿真的工作流程2.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的主要作用和特點(diǎn)1）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)利用的是對真實(shí)系統(tǒng)及其活動(dòng)過程的仿真模擬方法，該方法成功取代了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法,可對那些難以用數(shù)學(xué)公式表示的系統(tǒng)提供簡單可行且有效的求解方案。不僅在一定程度上大大減少了對人力物力的依

31、賴和浪費(fèi),同時(shí)還能大幅度削減開發(fā)所耗費(fèi)的時(shí)間,進(jìn)一步提高了仿真開發(fā)的效率。尤其對于那些難以在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察的復(fù)雜系統(tǒng)，仿真是唯一可行的辦法。2）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以動(dòng)態(tài)分析的方法代替了傳統(tǒng)的靜態(tài)分析方法,加強(qiáng)了對過程特性的研究和分析,使所建的數(shù)學(xué)模型更加接近真實(shí)系統(tǒng)或過程,從而使仿真的準(zhǔn)確性得到了大幅度提高。而且可以避免試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，可用于解決實(shí)際試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目。3）通過對系統(tǒng)中單獨(dú)部件以及對完整系統(tǒng)的仿真，使人們能夠比較詳細(xì)地研究部件特性和系統(tǒng)特性并對此進(jìn)行十分清楚的分析。這樣，將對后期相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)或進(jìn)行技術(shù)方面的改進(jìn)提供權(quán)威性的指導(dǎo)。不僅如此，還可以對系統(tǒng)或系統(tǒng)的某些部分進(jìn)行

32、性能評價(jià)，系統(tǒng)抗干擾性的分析研究等。4）優(yōu)化系統(tǒng)和參數(shù)的設(shè)計(jì)。在建立復(fù)雜系統(tǒng)模型之前，可以通過改變仿真模型的結(jié)構(gòu)和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。除此之外，仿真試驗(yàn)只需在可重復(fù)使用的模型上進(jìn)行，這也使得設(shè)計(jì)成本大幅度降低。廣泛應(yīng)用包括最優(yōu)化設(shè)計(jì)和最佳工況調(diào)節(jié)和控制等在內(nèi)的最優(yōu)化方法,可提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，以達(dá)到降低設(shè)計(jì)成本，節(jié)約經(jīng)費(fèi)的目的。5）將傳統(tǒng)的典型工況設(shè)計(jì)變成全過程工況設(shè)計(jì),極大地提高了系統(tǒng)的可靠性、可調(diào)性和系統(tǒng)運(yùn)行的效率。而且可重現(xiàn)系統(tǒng)故障，以便分析、判斷故障產(chǎn)生的原因。§1.2.2 建模的方法系統(tǒng)模型的建立是系統(tǒng)仿真的核心問題。根據(jù)對系統(tǒng)的了

33、解程度，系統(tǒng)建模的方法大致可以分為機(jī)理建模法和辨識建模法兩種。（1）機(jī)理建模法  機(jī)理建模方法又稱為演繹法、理論建模法，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)工作時(shí)的物理過程的機(jī)理進(jìn)行建模。它是最基本的系統(tǒng)建模方法，也是最常用的建模方法。使用該方法進(jìn)行建模時(shí),必須對實(shí)際系統(tǒng)有較深入的分析和研究,還需要對原理高度抽象才能建立出系統(tǒng)模型。目的是要使建立的模型同時(shí)具備易于使用、便于后期研究的優(yōu)點(diǎn),而且精度要足夠高,能滿足那些精密設(shè)計(jì)要求，還能準(zhǔn)確表現(xiàn)出系統(tǒng)原有的工作過程。2辨識建模方法  辨識建模方法就是利用各種辨識算法來建立模型的動(dòng)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。它主運(yùn)用系統(tǒng)辨識技術(shù),并根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行或試驗(yàn)過程中所取得

34、的輸入、輸出數(shù)據(jù)來類比出與所測系統(tǒng)等價(jià)的模型。最近的一段時(shí)期，特別是計(jì)算機(jī)等電子技術(shù)快速發(fā)展之后，系統(tǒng)辨識技術(shù)在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 根據(jù)上文對系統(tǒng)建模的描述及其方法的介紹，對于海洋光場的建模方法可分為如下步驟：首先，了解海洋光場的物理變量有哪些，并羅列出影響光場的各方面因素，尤其是與所建模型關(guān)系最為密切的的量；接著，研究上述所了解的變量的連續(xù)性與否，確定該系統(tǒng)的特性；然后，根據(jù)掌握的物理知識、數(shù)學(xué)定律和方程，整合出該海洋光場的數(shù)學(xué)模型，并使之最為簡單、實(shí)用,避免出現(xiàn)復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)的公式，便于仿真的執(zhí)行；接下來，根據(jù)所建的數(shù)學(xué)模型，特別是描述海洋表面的、光場的數(shù)學(xué)公式，將其轉(zhuǎn)

35、化為計(jì)算機(jī)語言并用MATLAB軟件表示出來；最后，進(jìn)行模型驗(yàn)證以及對研究內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)分析、總結(jié)。 第2章 MATLAB/SIMULINK建模仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種仿真算法和計(jì)算理論趨向成熟，越來越多的科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)等工作都需要利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字仿真。為了適應(yīng)科學(xué)計(jì)算、工程仿真的要求，許多公司都相繼推出一系列仿真軟件。其中，美國MathWorks公司的MATLAB/SIMULINK受到廣大用戶的熱愛。這是由于該軟件為不僅能為用戶提供一個(gè)人機(jī)交互式的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，而且其語言簡單和普通書寫基本上沒有什么差別，可以方便用戶進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、文件管理等各項(xiàng)操作。目前，

36、MATLAB/SIMULINK的使用范圍越來越廣，使用頻率也越來越高，并享有良好的聲譽(yù)。該軟件已逐漸發(fā)展成為國內(nèi)外控制界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算軟件，并因計(jì)算機(jī)的普遍使用和相應(yīng)學(xué)科的飛速進(jìn)步而逐漸趨于完善。§2.1 MATLAB/SIMLINK概述 MATLAB的核心是數(shù)值計(jì)算，SIMULINK是建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境。§2.1.1 MATLAB簡介MATLAB21（MATrix LABoratory矩陣實(shí)驗(yàn)室的縮寫），是由美國The MathWorks公司推出的一款商業(yè)類數(shù)學(xué)軟件。它可用于數(shù)值的分析與計(jì)算、矩陣計(jì)算、算法開發(fā)、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿

37、真等，并將這些功能集成在一個(gè)方便使用的交互式環(huán)境中。不僅為相關(guān)的科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面有效的解決方案，而且成功擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言復(fù)雜難懂的編輯模式，使MATLAB成為當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平的代表。§2.1.2 MATLAB編程環(huán)境的特點(diǎn)近二十年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)使人們認(rèn)識到：MATLAB作為計(jì)算工具和科技資源，可以提高工程生產(chǎn)的效率、縮短開發(fā)周期、加快探索步伐、激發(fā)創(chuàng)造活力。這些能力的獲得與其多方面的優(yōu)良特點(diǎn)分不開。1.MATLAB功能強(qiáng)大相對其他同類軟件來說，MATLAB在數(shù)值計(jì)算上一直保持著自己的絕對優(yōu)勢。MATLAB以矩陣作為數(shù)據(jù)操作的基本單位，還提供了十分豐富的數(shù)

38、值計(jì)算函數(shù)。不僅如此，為了更好地適應(yīng)科學(xué)發(fā)展的需求，它還開發(fā)出了屬于自己的符號運(yùn)算功能。MATLAB和著名的符號計(jì)算語言Maple相結(jié)合，使得MATLAB具有符號運(yùn)算功能。此外，還有繪圖功能。MATLAB可以繪制二維和三維圖形，并能對圖形進(jìn)行陰影、色彩處理。編程語言：MATLAB具有程序結(jié)構(gòu)控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特征，而且其語言易于學(xué)習(xí)和使用,而且編程效率高。MATLAB具有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包。附加的工具箱提供了專用的 MATLAB 函數(shù)集，擴(kuò)展了 MATLAB的使用環(huán)境，從而解決了這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。而且，這些工具箱都是由相應(yīng)領(lǐng)域的

39、著名專家研究設(shè)計(jì)的，使MATLAB得功能更加強(qiáng)大、更加多樣化、更具權(quán)威性。也正因如此，使得MATLAB已經(jīng)成為國內(nèi)外科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究應(yīng)用時(shí)首先選擇的軟件。它特有的矩陣處理功能、用于控制理論研究的專用工具箱和結(jié)構(gòu)圖程序設(shè)計(jì)的SIMULINK 仿真環(huán)境，使得 MATLAB 語言成為控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的得力助手。所以，MATLAB可以廣泛地應(yīng)用在汽車行業(yè)、通訊與衛(wèi)星系統(tǒng)、航空航天、金融建模設(shè)計(jì)與分析、工業(yè)過程、生物系統(tǒng)和教育事業(yè)等眾多領(lǐng)域。2.MATLAB 語法簡單MATLAB是一門編程語言，其代碼短小高效，簡單易學(xué)，而且功能強(qiáng)大，內(nèi)容廣泛。它允許用戶以數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序，就像平時(shí)在數(shù)學(xué)上計(jì)

40、算公式的書寫，十分方便理解。MATLAB中豐富的函數(shù)資源將編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來，給用戶帶來最直觀、最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。MATLAB的操作指令和功能函數(shù)指令都是用一些常見的簡單英文單詞表達(dá)的。MATLAB是用C語言開發(fā)得到的，因此很多MATLAB程序流控制語句同C語言的差別很?。ū热?，for循環(huán)，switch語句等），初學(xué)者很容易就能掌握。3.擴(kuò)充能力強(qiáng)、可開發(fā)性強(qiáng)MATLAB的可擴(kuò)充性和可開發(fā)性使其能更好的適應(yīng)科技的不斷更新，具有不可估量的前景。MATLAB語言編寫的程序可以直接運(yùn)行，無需調(diào)試、編譯，較之C語言等程序更方便操作，還節(jié)省了很多時(shí)間。這樣，MATLAB就成了一個(gè)完全

41、開放的系統(tǒng)，方便用戶看到函數(shù)的源程序，也方便開發(fā)用戶自己的程序，甚至自己的庫。4.具有優(yōu)良的圖形化系統(tǒng)MATLAB提供了一系列方便繪制二維和三維圖形的命令。還可以對圖形做高級處理，如色彩控制、句柄圖形、動(dòng)畫等。MATLAB圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（GUIDE）提供了一系列創(chuàng)建圖形用戶界面（GUI）的工具，方便用戶制作菜單和控件，這樣用戶就可以根據(jù)自己的需求編寫出滿意的圖形界面。5.詳細(xì)的幫助功能MATLAB為用戶提供了非常具體的幫助文件（即PDF、HTML、demo文件）。在命令窗口中，還提供了聯(lián)機(jī)查詢指令：help指令（如help eig、help exp），lookfor關(guān)鍵詞（如lookfo

42、r fft）。6.嵌入了面向?qū)ο缶幊陶Z言MATLAB為從屬性和代碼的生成提供了優(yōu)化的程序接口，還可以幫助用戶優(yōu)化程序，提高程序運(yùn)行效率，同時(shí)對HTML,C+和Java提供鏈接支持。§2.1.3 SIMULINK仿真工具簡介作為MATLAB最重要的組件之一，Simulink是模塊化、函數(shù)化、圖形化的仿真工具，確切的說，它為用戶提供了一個(gè)集動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和綜合分析為一體的集成環(huán)境。而且，在此仿真環(huán)境中，沒有單獨(dú)的語言系統(tǒng)，也不用編寫大量程序，只需在Simulink提供的仿真界面上就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。1.Simulink的功能介紹22Simulink具有相對獨(dú)立的功能和使用方法，

43、是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境。Simulink在線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中得到了廣泛應(yīng)用，并受到越來越多用戶的喜愛。Simulink功能強(qiáng)大，不僅可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，也可以用于不同部分具有不同采樣速率的多速率系統(tǒng)。Simulink的圖形用戶接口(GUI)可以建立模型方塊圖 ，創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。此外，還具有對系統(tǒng)信號流圖進(jìn)行組態(tài)的仿真平臺，通過對Simulink模塊庫建立系統(tǒng)的仿真模型，提供了一種更方便有效、更簡單快速的動(dòng)態(tài)仿真方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果，提高了工作效率。2.Simulink仿真環(huán)境的

44、特點(diǎn)a.交互建模。Simulink是基于模型和多領(lǐng)域仿真的設(shè)計(jì)工具，主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)。Simulink中包含很多模塊，交互式建模使用戶更方便地根據(jù)工程要求并結(jié)合自己的意愿建立模型，使建立的模型結(jié)構(gòu)和流程清晰，更具真實(shí)性、實(shí)用性。b.交互仿真。Simulink框圖提供了交互性很強(qiáng)的可視化仿真環(huán)境。用戶仿真時(shí)利用下拉菜單執(zhí)行，或使用命令行進(jìn)行批處理。而且，仿真結(jié)果在運(yùn)行的同時(shí)就可以通過示波器或圖形窗口顯示，使工作效率得到提高。c.擴(kuò)充和定制。Simulink中豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫可以方便用戶快速地建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。其中，Simulink為各種時(shí)變系統(tǒng)提供了交互式圖形化環(huán)境與可定制

45、模塊庫可對其設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。建模時(shí)只需使用鼠標(biāo)拖動(dòng)庫中的功能模塊并按系統(tǒng)邏輯順序?qū)⑺鼈冞B接起來。而且，Simulink對模塊和連接的數(shù)目沒有限制，靈活性提高。用戶可以憑借Simulink的開放式結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能： 可以用MATLAB、FORTRAN和C代碼生成自定義塊庫，而且可以自己設(shè)計(jì)圖標(biāo)和界面。 將用戶原有的用FORTRAN或C語言編寫的代碼連接起來便于管理。d.與MATLAB和工具箱的集成。MATLAB的數(shù)學(xué)、圖形和編程功能直接可以被Simulink利用，所以用戶可以直接在Simulink界面中完成數(shù)據(jù)分析、過程自動(dòng)化、參數(shù)優(yōu)化等工作。工具箱可以借助Simulink的屏蔽

46、手段在仿真過程中執(zhí)行其高級設(shè)計(jì)和分析能力，具備適應(yīng)性廣、仿真精細(xì)、貼近實(shí)際等優(yōu)點(diǎn)。e.豐富的模塊庫。Simulink提供了許多專用的基本模塊庫，如：Continuous(連續(xù)系統(tǒng)模塊庫)、Discrete（離散系統(tǒng)模塊庫）、Sinks(輸入源模塊庫)等16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊庫。§2.2 MATLAB/SIMULINK的建模方法在使用MATLAB/SIMULINK構(gòu)造的仿真模型進(jìn)行計(jì)算、仿真時(shí)，除了要對MATLAB/SIMULINK系統(tǒng)的命令、函數(shù)、模塊等的基本操作有深刻的理解，還需要具備相應(yīng)的系統(tǒng)建模和仿真知識。值得注意的是，利用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型時(shí)多采用機(jī)理建模法和

47、綜合建模的方法，所以要對系統(tǒng)機(jī)理有充分的認(rèn)識。下面給出利用MATLAB/SIMULINK建模仿真的基本方法與步驟。1.了解仿真對象了解方針對象的工程背景和物理原理,明確建模的目的,在建立模型前對仿真對象要有透徹的了解。在本次海洋光場的建模過程中，仿真對象是海洋中的光場，要想作出合理的模型首先就要認(rèn)清海洋系統(tǒng)的復(fù)雜性。自然界是不斷變化的，尤其在是存在更多未解之謎的大海中，會(huì)有各種各樣的干擾因素，比如風(fēng)、溫度、鹽度、密度等都會(huì)對光場模型的建立有干擾作用。所以，要了解自然光傳輸?shù)奶匦?，并掌握干擾因素對仿真對象的影響。2.抽象數(shù)學(xué)模型明確了仿真的計(jì)算目的之后，對實(shí)際問題進(jìn)行必要的建設(shè)，從而從工程背景抽

48、象出仿真計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，即用基本假設(shè)和數(shù)學(xué)語言描述實(shí)際問題。如，對海洋光場建模過程中，要先簡化出光場的數(shù)學(xué)模型。3.轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)仿真模型將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為符合規(guī)則的，可以用于仿真計(jì)算的計(jì)算機(jī)仿真模型。值得注意的是，整體上，利用MATLAB仿真時(shí)，要對程序規(guī)范，流程統(tǒng)一規(guī)劃，用結(jié)構(gòu)化的編程思路設(shè)計(jì)程序，節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)；應(yīng)對模塊、模塊連接線的布局、結(jié)構(gòu)及模塊間的關(guān)系整體規(guī)劃，規(guī)范計(jì)算仿真模型的構(gòu)成。細(xì)節(jié)上，利用MATLAB仿真時(shí)，M文件應(yīng)該注釋齊全，增強(qiáng)文件程序的可讀性，盡量使用函數(shù)M文件，增強(qiáng)程序的可利用性；利用SIMULINK仿真時(shí)，模塊名應(yīng)該及時(shí)更改，模塊連接線應(yīng)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型，對整個(gè)模型還要添加

49、注釋，以增強(qiáng)模型的可利用性。4.模型求解對模型的求解是MATLAB/SIMULINK的強(qiáng)項(xiàng)，MATLAB/SIMULINK將許多現(xiàn)成的算法內(nèi)置到軟件求解器里，用戶只需根據(jù)自己仿真計(jì)算的模型選擇不同的求解算法即可。5.模型結(jié)果分析對所得的模型結(jié)果要進(jìn)行分析。第一，要進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，這主要是根據(jù)問題的性質(zhì)以及對各變量間的關(guān)系等進(jìn)行分析，通過數(shù)學(xué)分析主要是檢查系統(tǒng)模型表述的正確性；第二，要把模型結(jié)果帶回物理背景和工程實(shí)際中進(jìn)行分析，比如量綱分析，工程實(shí)際和物理特性等進(jìn)行分析，實(shí)際仿真中這是最重要的，因?yàn)橥ㄟ^物理層面的分析，可以剔除仿真結(jié)果中不符合物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，也可以檢查出MATLAB/SIMUL

50、INK計(jì)算模型乃至最初數(shù)學(xué)模型的問題，通過物理模型的分析主要是驗(yàn)證系統(tǒng)模型建立的正確性。16第3章 海洋水體中光的傳輸特性§3.1 海洋中的光及其重要作用眾所周知，海洋覆蓋了地球表面積的70% ，是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)必不可少的一部分。當(dāng)太陽光經(jīng)大氣射入地球表面時(shí)，有一大部分會(huì)被海洋吸收。海洋的廣闊面積致使其對地球有著舉足輕重的作用。當(dāng)海洋的時(shí)間和空間發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)對整個(gè)大氣環(huán)流、海洋環(huán)流以及海洋生態(tài)系統(tǒng)造成很大的影響。海洋中的生物生存要依靠射入其中的光，尤其是浮游植物等需要利用光進(jìn)行光合作用以維持其生命的運(yùn)行。所以，定量、科學(xué)地了解太陽輻射在海洋中的傳播特性在眾多科學(xué)領(lǐng)域都顯得非常重要。

51、表面上看，海洋的光傳播特性有吸收和散射兩部分。實(shí)際上，光在水體中的傳輸是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，要想弄清楚這個(gè)過程就需要確定光被吸收與散射的方式與程度，并建立描述光場與海水光學(xué)特性的關(guān)系式。§3.2 海洋中光的傳輸特性海水的總光學(xué)特性分為互相獨(dú)立的兩類：一是固有光學(xué)特性（Inherent Optical Properties，IOPs，又稱為固有光學(xué)量），另一個(gè)為表征光學(xué)特性（Apparent Optical Properties，AOPs，又稱為表觀光學(xué)量）。其中，IOPs指依賴于水體本身及水中各種成分的那些特性，與環(huán)境光場無關(guān)。固有光學(xué)特性的兩個(gè)基本量分別是吸收系數(shù)與體積散射函數(shù)

52、，還包括散射系數(shù)、折射指數(shù)、光束衰減系數(shù)以及單次散射反照率，所有量都與光譜相關(guān)。AOPs指同時(shí)依賴水體中的成分及環(huán)境光場幾何結(jié)構(gòu)的那些特性，包括向量和標(biāo)量輻照度、反射比、入射輻射的平均角余弦以及輻照度漫射衰減系數(shù)等。理想的表征光學(xué)特性隨著外部環(huán)境的變化僅產(chǎn)生微小變化，但從一種水體到另一種水體，AOPs將產(chǎn)生足夠大的變化來體現(xiàn)兩種水體不同的光學(xué)特性。輻射傳輸理論在海水的固有光學(xué)特性和表征光學(xué)特性之間建立起了關(guān)系。海洋光學(xué)中有兩個(gè)用于描述海洋中光場分布的基本的輻射度量：一個(gè)是輻亮度L，指沿特定方向垂直于單位截面積并沿此方向單位立體角的輻射量大?。灰粋€(gè)是輻照度E，表示單位面積接收到的輻射量。 經(jīng)大氣

53、入射到海洋表面的太陽光，一部分又反射到大氣中，一部分經(jīng)折射反應(yīng)進(jìn)入海水。水下光場除了會(huì)受到水體表面波及船舶的干擾的影響外，因?yàn)樵诤Ｑ笏w中存在各種干擾因素，如，因溫度、鹽度引起的水密度的改變以及海水中懸浮的顆粒等，還會(huì)使光在射入水體過程中發(fā)生多次折射（光的散射）反應(yīng)。如，光入射到水中的懸浮顆粒上會(huì)發(fā)生反射，而且折射率也會(huì)改變，相應(yīng)地就改變了光線原有的入射路徑。如圖3-1簡單展示了光在海洋表面及進(jìn)入水體之后發(fā)生的一系列反應(yīng)。大氣 海洋海面懸浮顆粒光線折射反應(yīng)圖3-1 單個(gè)光線在海洋表面及水下發(fā)生的反應(yīng)§3.3 Monte Carlo模型為研究海洋水體的光學(xué)問題，可以建立一個(gè)三維的Mon

54、te Carlo海洋光學(xué)模型，對水體光場的分布進(jìn)行模擬。該模型能對任意人射角和觀測角度、水體成分及其垂直分布、任意深度、不同海面粗糙度的光場變化進(jìn)行模擬。Monte Carlo法25是一種通過描述單個(gè)光子的路徑來模擬實(shí)際光能輻射傳輸過程的概率統(tǒng)計(jì)方法。此方法可以處理任何幾何空間下的輻射傳輸問題，并能處理任意單次散射反照率和各向異性很強(qiáng)的相函數(shù)，所以被廣泛應(yīng)用到了對光場建模等研究中。但以此方法建立的輻射傳輸數(shù)值模型計(jì)算時(shí)將花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，其計(jì)算結(jié)果的精度與所用的光子數(shù)的平方根成正比。也就是說，使用的光子越多，計(jì)算結(jié)果的精度越大。所以在某些對計(jì)算精度要求較高的科學(xué)研究中，在保證計(jì)算順利的情況

55、下，為了達(dá)到要求應(yīng)盡量使用數(shù)量較多的光子。光進(jìn)入海洋中，受到海水的作用將發(fā)生能量的衰減。有兩個(gè)物理過程可以引起衰減，分別是：吸收和散射。吸收就是光能在水中能量損失的過程。散射是由傳播介質(zhì)的不均勻性引起的，它表現(xiàn)的現(xiàn)象是光線向四周射去。但是，發(fā)生散射時(shí)，光子并沒有消失，只是其前進(jìn)的方向發(fā)生了變化。根據(jù)Monte Carlo模型可知，光子沿著入射路徑的能量衰減方式服從比爾-朗伯定律，如式3-1a、b所示。比爾定律是光被吸收的基本定律，不僅適用于氣體，還適用于包括固體、液體、分子、原子和離子在內(nèi)的所有的電磁輻射和所有的吸光物質(zhì)。而且，光被吸收的量的多少與光程中產(chǎn)生光吸收分子的數(shù)目成正比，光吸收分子越

56、多，光被吸收的量越大。A=lg(I0/I)=lg(1/T)=kcd （3-1a）或 I=I0exp(-a*lz) （3-1b）式3-1a中，A為吸光度（absorbance）舊稱光密度(optical density)；I0、I分別為入射光的強(qiáng)度和通過水介質(zhì)后透射光的強(qiáng)度；T為透射比（I/I0），即透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值；k表示吸收光的比例系數(shù)；c為樣品濃度，即海水濃度；d表示光程，這里指海水中光的透射距離。式3-1b中I0為設(shè)定在坐標(biāo)點(diǎn)（0，0）處的初始化光子能量，為100%，和3-1a中的意義相近；a為水的總吸收（即光衰減）系數(shù)； lz 為水的總覆蓋距離，這里指的是光在海水中的有效傳

57、輸距離。比爾定律的物理意義是：當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度A與海水的濃度c以及吸收層厚度d都成正比。可以從式3-1a看出。光進(jìn)入水體的過程中，除了海水的吸收能導(dǎo)致光能的衰減外，散射反應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致水中光能量的衰減。散射指的是光傳播時(shí)因與介質(zhì)中分子（原子）作用而改變其光強(qiáng)的空間分布、偏振狀態(tài)或頻率的過程。當(dāng)光在介質(zhì)中傳播時(shí)，物質(zhì)的不均勻性（如懸浮微粒、密度起伏）也能導(dǎo)致光的散射?？偟膩碚f，引起光散射的原因是由于媒質(zhì)中存在著其他物質(zhì)的微粒，或者由于媒質(zhì)本身密度的不均勻性(即密度漲落)。海水中引起光散射的因素很多，除了水分子外，還有各種粒子，如懸移質(zhì)粒子、浮游植物及可溶有機(jī)物粒子等。或者當(dāng)海水的溫度、鹽度變化導(dǎo)致密度變化時(shí)也會(huì)發(fā)生