海洋光學綜述

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海洋光學是研究海洋的光學性質、光在海洋中的傳播規(guī)律和運用光學技術探測海洋的科學。它是海洋物理學的分支學科，又是光學的分支學科。

光電子學辦法是海洋光學測量的要緊手段，基礎研究中包括實驗和理論兩方面。實驗方面要緊運用現場和實驗室的測量辦法舉行海洋光學性質的研究。

一、進展簡史

早在19世紀初，就有人用透明度盤目測自然光在海中的鉛直衰減。從19世紀末開始，海洋學家才比較注意研究海洋的光學性質，并結合海洋初級生產力的研究，用光電辦法測量海洋的輻照度。

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

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

1950～1952年，丹麥人在環(huán)球深海調查中，致力研究了

重要海區(qū)的初級生產力和光輻照之間的關系；

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

美國、蘇聯(lián)、法國等國，相繼建立了實驗基地，詳盡研究了海水固有光學性質和海洋表觀光學性質之間的關系；美國R.W.普賴森多費爾提出了比較系統(tǒng)的海洋光學理論，進展了海洋輻射傳遞理論；一些學者對水中能見度理論、海洋光學測量模型、光輻射場與海水固有光學性質之間的關系，舉行了比較系統(tǒng)的研究。

60年代中期往后，隨著近代光學、激光、計算機科學、光學遙感和海洋科學的進展，海洋光學得到了進一步的進展，特殊是結合信息傳遞的要求，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性質之間的關系等咨詢題，使海洋光學從傳統(tǒng)的唯象研究轉入物理的和技術的研究。

二、研究內容

（一）基礎研究

包括實驗和理論兩方面。實驗方面要緊運用現場和實驗室的測量辦法舉行海洋光學性質的研究?？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。各海區(qū)的光學性質和海洋水體的組分密

切相關，所以海洋光學調查是研究區(qū)域海洋光學性質的要緊手段。在理論研究方面，海洋輻射傳遞理論是海洋光學的要緊理論基礎，從輻射傳遞方程動身，要緊運用隨機模擬辦法和蒙特卡羅法，建立各種輻射傳遞模型，包括分層結構海洋水體、均勻海洋水體、海洋－大氣系統(tǒng)、窄光束水中傳輸等模型、規(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生的、由海洋表層向上的光譜輻射場。它是光學遙感探測海洋的要緊信息來源，是建立光學海洋遙感模型的重要依據。

（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身，可導出水中對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、海水的化學分析和海洋的溫度、鹽度按深度的分布，打下了基礎。

（五）海洋水體的光學傳遞函數

用線性系統(tǒng)理論研究海洋水體對光的散射和汲取的過程。要緊研究海水點擴展函數、海水光學傳遞函數與海水固有光學參數的關系。它是建立海洋激光雷達方程和水中圖象系統(tǒng)質量分析的重要依據。

基本參數性質

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

⒈衰減長度(AL)

單XXX準直光束經過海水介質，輻射能呈指數衰減變化。海水的體積衰減系數是波長的函數，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海水有最大透射率的藍綠光附近，盡管它們的入射功率還別到太陽總入射功率的1/10，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，它對水下動物是非常重要的。實測表明：水下太陽垂直平面內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20個衰減長度后，輻亮度趨于對稱的極限分布，此刻輻亮度衰減系數к趨于極限值k，k與方向無關，且小于μ值。因而漸近極坐標曲面算是一具環(huán)繞垂軸旋轉、偏心率為k/μ的橢球。

k/μ只取決于固有光學性質，與大氣光學狀態(tài)和海況無關。普賴森多費爾在標量輻照度衰減系數к0為常數的假設下，用輻射傳遞理論完成了漸近分布存在性的數學證明。

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的增加而按指數律衰減，以海平面為基準，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。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較多的混濁海區(qū)，由于挑選汲取的結果，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光區(qū)，其向下輻照度的衰減系數кd也趨于常數，約為0.03。特殊令人注意的是，對海洋初級生產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，但是經海面折射進入海水后，隨其天頂角的增大而產生部分偏振。當透射光被海水和懸浮顆粒散射時，它的偏振分布會有非常大的變化。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，到達輻亮度極限分布的深度后，偏振度也達到極限值。

研究方向

⒈海洋光學遙感

海洋光學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舉行探測，包括利用可見光對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)交替的具體時刻、從云的分布判斷該海區(qū)水溫的水平和垂直結構；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。

海洋光學遙感可以實現對海洋水群、海洋環(huán)境、海洋動力過程和初級生產力等海面眨眼信息的大范圍監(jiān)測以及長達數年至幾十年的長序列海洋數據采集，對維護海洋權益、防災減災、海洋資源治理與開辟等方面都具有重要的戰(zhàn)略意義。

⒉水下光學成像

水下光學成像技術是認識海洋、開辟利用海洋和愛護海洋的重要手段和工具，具有探測目標直觀、成像分辨率高、信息含量高、圖像質量好、畫幅速率高、體積小等優(yōu)點。該技術差不多被廣泛的應用于水中目標偵察/探測/識不、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、救生打撈等領域。

由于水體對光能量的高汲取特性和水中微粒對成像光束的散射，成像距離向來基本上制約水下成像技術進展的瓶頸。為了克服水下惡劣環(huán)境對成像的妨礙，實現遠距離和高質量的水下成像，人們提出了水下主動照明成像、水下距離選通成像、水下激光掃描成像。

水下主動照明成像要緊為了解決水下環(huán)境對成像光束

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

水下距離選通成像技術有效落低了后向散射光對成像質量的妨礙。關于主動脈沖照明，后向散射光和目標反射光到達成像接收器件具有時刻差。距離選通成像技術經過操縱成像快門的開閉，將非目標反射光束到達時刻段的光束隔離在同意器件之外，只接收目標反射光束到達時刻段的光信號，達到排除雜散光干擾，提高接收數據的信噪比的目的，進而增加成像距離和提高成像質量。理論上該技術的成像距離最遠可達到4－6倍衰減長度，該技術單次成像只能獵取預設好距離的目標，如對其他距離成像則需重新設置快門。

水下激光掃描成像技術經過線掃描或點掃描的方式對目標舉行采樣，然后將采樣信號按位置拼接得到目標的灰度圖像。由于照明激光能量更為集中，單位面積的目標反射能量更高，使用該辦法成像能有效的增加回波信號的強度，從而增加成像距離。理論上，點激光掃描成像技術最大作用距離能達到10倍衰減長度。然而由于水體對準直光束的擴散作用和系統(tǒng)硬件的限制，其成像分辨率較水下距離選通成像技術低。并且由于其多次采樣的緣故，采樣時刻較長。

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)的距離選通技術相比，該技術同樣利用雜散光和回波信號光的非并且性來排除雜散光對成像的妨礙。但別設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系統(tǒng)惟獨一具接收器，接收器件的采樣頻率能夠達到10Hz，對激光照明脈沖發(fā)射后的回波信號全程接收。采樣接收到的是時刻序列回波信號，別同距離的回波信號被按時刻順序接收。需要對哪一距離的目標成像，則將每一采樣序列中對應時刻的數據提取出來，組成壓縮感知采樣值向量。將該向量代入重構算法中即可計算出相應距離的圖像。相比于水下距離選通成像辦法，該技術成像距離可提高1倍；相比于水下激光掃描成像技術，該技術采樣數量少60%~90%，大大落低了系統(tǒng)硬件的成本和難度。該技術具有成像靈便、系統(tǒng)簡單、成本低廉和系統(tǒng)誤差小等諸多優(yōu)點。

⒊光纖水聽技術

光纖水聽器是以光纖作為傳感和信號傳輸媒介的新一代先進水聲探測聲納裝備。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，是先進光纖光電子技術與水聲工程技術交叉融合形成的新興技術。

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

器的水聲敏感部分為光纖干涉儀，當聲壓作用在干涉儀上時，信號臂長度發(fā)生改變，導致干涉儀輸出光信號的相位發(fā)生改變，經過檢測相位的變化就能夠得到水聲信號的強度和頻率信息。相位調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線陣等一些重要領域的應用。在走向大規(guī)模陣列應用的過程中，空分、時分、波分等各種復用技術的應用使得干涉型光纖水聽器陣列體積和技術復雜性別斷提高。

隨著光敏光刻技術的進展，在光纖上在線制作光纖光柵功能器件的技術別斷成熟，這導致了波長調制型光纖水聽器的廣泛應用。波長調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應力的敏感性，將Bragg光纖光柵或DFB光纖激光器等直截了當作為水聽器探頭，經過檢測聲壓作用導致的波長變化即可得到聲壓信號的相關信息。

⒋水下光譜探測

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

光譜技術利用光與物質的相互作用來研究分子結構及動態(tài)特性，它能夠經過獵取光的發(fā)射、汲取與散射信息，獲得與樣品相關的化學信息，如組成成分及成分的動態(tài)變化等。依照實測的水體光譜輻射數據，可推導光譜反射率、漫射衰

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

⒌水下激光通信

水下激光通信結合了通信速率高和無線鏈接的優(yōu)勢