海洋光学综述

1、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

2、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：19471948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；19501952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；19571958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；

3、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

4、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

5、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

6、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 0.20.6m,其衰减长度 约为1.25m。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

7、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

8、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K 0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 480500nm 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

9、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（100500m）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k d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110%。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

10、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

11、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

12、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

13、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，

14、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

15、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

16、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

17、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