海洋光學

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，並結合海洋初級生產力的研究，用光電方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製造了測定海水的線性衰減係數、體積散射係數和光輻射場分佈的海洋光學儀器，進行了一系列現場測量。 從第二次世界大戰後到60年代中期，是海洋光學的發展時期：1947～1948年，瑞典科學家在環球深海調查中（“信天翁”號），首次將海洋光學調查列入重要的海洋調查計劃，測量了輻照度、衰減和散射等；1950～1952年，丹麥人在環球深海調查中，致力研究了重要海區的初級生產力和光輻照之間的關係；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，並研究其相互的關係；美國、蘇聯、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係；美國R.W.普賴森多費爾提出了比較系統的海洋光學理論，發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係，進行了比較系統的研究。

60年代中期以後，隨着近代光學、激光、計算機科學、光學遙感和海洋科學的發展，海洋光學得到了進一步的發展，特別是結合信息傳遞的要求，用蒙特卡羅方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係等問題，使海洋光學從傳統的唯象研究轉入物理的和技術的研究。 ^[2] 

包括實驗和理論兩方面。實驗方面主要運用現場和實驗室的測量方法進行海洋光學性質的研究。可見光波段是能透入海中的電磁波的主要波段，其傳播規律決定於海洋水體的散射和吸收等性質。各海區的光學性質和海洋水體的組分密切相關，因此海洋光學調查是研究區域海洋光學性質的主要手段。在理論研究方面，海洋輻射傳遞理論是海洋光學的主要理論基礎，從輻射傳遞方程出發，主要運用隨機模擬方法和蒙特卡羅法，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、窄光束水中傳輸等模型，規律。

主要研究日光射入海洋後，經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主要信息來源，是建立光學海洋遙感模型的重要依據。

主要研究水中的視程和圖象在水中的傳輸問題。由海洋輻射傳遞方程出發，可導出水中對比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。

主要研究激光在水中受到的散射、吸收及其所遵循的傳輸過程。70年代以後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温度、鹽度按深度的分佈，打下了基礎。

用線性系統理論研究海洋水體對光的散射和吸收的過程。主要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係。它是建立海洋激光雷達方程和水中圖象系統質量分析的重要依據。 ^[2] 

海洋光學與物理海洋學的研究密切相關。測定海水的光學性質，為研究海流、上升流、海洋鋒、水團、海洋細微結構等提供了另一種有效的手段；隨機海面的光學研究，為遙測海浪方向譜建立了物理模型，併為現場測定海浪要素提供了快速而又有效的手段。海洋生物初級生產力（見海洋生物生產力）的研究和調查，與海中輻照度的分佈、海水輻射能密度分佈、海中輻射能的貯存等有直接的關係，例如輻照度為海洋初級生產力方程的主要參數。探測海洋的光學遙感傳感器的波段、視場角和動態範圍等參數，都要根據海面光譜輻射的數據來確定（見海洋光學技術）。海洋輻射傳遞理論，是水色光學遙感方法的基礎。

海洋光學的發展目的與近代光學的發展密切相關：光電子學方法是海洋光學測量的主要手段，激光技術的發展，例如可調諧激光、水中新型藍-綠激光、高時間分辨率激光技術等，已成為海水激光光譜研究的重要手段，是發展海洋探測激光雷達的技術基礎。近代光學信息處理和信息傳遞理論，為海洋中光信息傳遞的研究及隨機量的統計分析研究奠定了基礎。

太陽和天空輻射通過海面進入海中所形成的海洋輻射場分佈，主要表現為輻亮度分佈、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。

單色準直光束通過海水介質，輻射能呈指數衰減變化。海水的體積衰減係數是波長的函數，通常認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，體積衰減係數約為0.2~0.6m,其衰減長度約為1.2~5m ^[3]  。大洋清潔海水的光譜透射窗口為0.480um，體積衰減係數約為0.05m,其衰減長度約為20m。

表示單位立體角dΩ和單位發射面積dA發出的輻射通量，L=d2F/dAcosθdΩ。θ是光束與dA的法線的夾角。水中的輻亮度分佈由海洋輻射傳遞方程來決定。輻亮度沿深度z 的變化，由垂直衰減係數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吸收，所以在水下測得的太陽光譜的峯值正好處於對海水有最大透射率的藍綠光附近，雖然它們的入射功率還不到太陽總入射功率的1/10，卻是水下光譜的主要成分，甚至在水深 600米處還能用光電法測到。水下能見度主要依賴這段光譜，它對水下動物是很重要的。實測表明：水下太陽垂直平面內的輻亮度角分佈隨深度而變化，在表層有明顯的峯值，隨深度增加，峯值減小，最大值逐漸移向天底角，深度達20個衰減長度後，輻亮度趨於對稱的極限分佈，此時輻亮度衰減係數к趨於極限值k，k與方向無關，且小於μ值。因而漸近極座標曲面就是一個圍繞垂軸旋轉、偏心率為k/μ的橢球。k/μ只取決於固有光學性質，與大氣光學狀態和海況無關。普賴森多費爾在標量輻照度衰減係數к0為常數的假設下，用輻射傳遞理論完成了漸近分佈存在性的數學證明。

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，它們的分佈與太陽高度角、光的波長和海水深度有關。一般海區表層水的Ed的極大值處於波長為480～500nm處。在大洋水中，隨深度的增加，此峯值移向 465nm。在懸浮顆粒和黃色物質較多的混濁海區，由於選擇吸收的結果，使極大值移向綠光。輻照度在海洋深層(100～500m)的光譜分佈只侷限於很窄的藍光區，其向下輻照度的衰減係數кd也趨於常數，約為0.03。特別令人注意的是，對海洋初級生產力有重大影響的上升流區域，浮游植物富集，кd的光譜分佈和葉綠素的光譜吸收曲線十分相似。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，一般為1～10%。天空光是部分偏振的，太陽的直射光是非偏振的，然而經海面折射進入海水後，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，它的偏振分佈會有很大的變化。太陽方位角不同時，垂直面上的偏振分佈不同。偏振度隨着深度的增大而逐漸減小，到達輻亮度極限分佈的深度後，偏振度也達到極限值。

海洋光學遙感的主要途徑是從宇宙飛船或衞星上拍攝海洋的照片或利用星載激光雷達進行探測，包括利用可見光對海洋進行多光譜攝影，以及紅外與微波波段的觀察。400-600nm波段的可見光遙感能夠根據某海區上空的雲量變化推斷大氣環流季節交替的具體時間、從雲的分佈推斷該海區水温的水平和垂直結構；600-700nm波段可以觀測到水中沉積物的輸送和廢物排放入海的現象；紅外波段可以用來觀測厚度約為1m的海洋表面水温。

海洋光學遙感能夠實現對海洋水色、海洋環境、海洋動力過程和初級生產力等海面瞬間信息的大範圍監測以及長達數年至幾十年的長序列海洋數據採集，對維護海洋權益、防災減災、海洋資源管理與開發等方面都具有重要的戰略意義。

水下光學成像技術是認識海洋、開發利用海洋和保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、體積小等優點。該技術已經被廣泛的應用於水中目標偵察/探測/識別 ^[4]  、水下考古、海底資源勘探、生物研究、水下工程安裝/檢修、水下環境監測、救生打撈等領域。

右圖為我國自主研發的首款全海深高清攝像機第一次拍攝到8152米處的深海獅子魚進食 ^[5] 

由於水體對光能量的高吸收特性和水中微粒對成像光束的散射，成像距離一直都是制約水下成像技術發展的瓶頸。為了克服水下惡劣環境對成像的影響，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。

水下主動照明成像主要為了解決水下環境對成像光束的高損耗問題，一般使用532nm左右波長的激光對成像空間進行人工主動照明，在高損耗的情況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同時，也會產生大量的後向散射光，影響成像質量。因此，一般水下照明系統採用成像與照明分離佈局，以減少後向散射對成像的影響。

水下距離選通成像技術有效降低了後向散射光對成像質量的影響。對於主動脈衝照明，後向散射光和目標反射光到達成像接收器件具有時間差。距離選通成像技術通過控制成像快門的開閉，將非目標反射光束到達時間段的光束隔離在接受器件之外，只接收目標反射光束到達時間段的光信號，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獲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通過線掃描或點掃描的方式對目標進行採樣，然後將採樣信號按位置拼接得到目標的灰度圖像。由於照明激光能量更為集中，單位面積的目標反射能量更高，使用該方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。但是由於水體對準直光束的擴散作用和系統硬件的限制，其成像分辨率較水下距離選通成像技術低。同時由於其多次採樣的原因，採樣時間較長。

基於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同時性來排除雜散光對成像的影響。但不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只有一個接收器，接收器件的採樣頻率可以達到10Hz ，對激光照明脈衝發射後的回波信號全程接收。採樣接收到的是時間序列回波信號，不同距離的回波信號被按時間順序接收。需要對哪一距離的目標成像，則將每一採樣序列中對應時間的數據提取出來，組成壓縮感知採樣值向量。將該向量代入重構算法中即可計算出相應距離的圖像。相比於水下距離選通成像方法，該技術成像距離可提高1倍；相比於水下激光掃描成像技術，該技術採樣數量少60%~90%，大大降低了系統硬件的成本和難度。該技術具有成像靈活、系統簡單、成本低廉和系統誤差小等諸多優點。

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、耐惡劣環境、水下無電、體積小、重量輕、易於組成大規模陣列等特點，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 ^[6]  。

按照傳感原理不同，光纖水聽器可以分為相位調製型光纖水聽器和波長調製型光纖水聽器。幹相位調製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，信號臂長度發生改變，導致干涉儀輸出光信號的相位發生改變，通過檢測相位的變化就可以得到水聲信號的強度和頻率信息。相位調製型光纖水聽器的靈敏度與干涉儀的臂差成正比，這意味着要達到較高的靈敏度，光纖水聽器必須採用很長的光纖，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。在走向大規模陣列應用的過程中，空分、時分、波分等各種複用技術的應用使得干涉型光纖水聽器陣列體積和技術複雜性不斷提高。

隨着光敏光刻技術的發展，在光纖上在線製作光纖光柵功能器件的技術不斷成熟，這導致了波長調製型光纖水聽器的廣泛應用 ^[7]  。波長調製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光纖激光器等直接作為水聽器探頭，通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。

水下光譜分析是海洋光學的一個重要分支，發揮了光譜技術特徵性強、提供信息多、應用範圍廣等優勢。

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特性，它可以通過獲取光的發射、吸收與散射信息，獲得與樣品相關的化學信息，如組成成分及成分的動態變化等。根據實測的水體光譜輻射數據，可推導光譜反射率、漫射衰減係數等水體光學參數，估算海洋光合作用及其初級生產量，滿足水色遙感現場光輻射測量、海洋光譜分析和生物-光學算法開發等需求。再結合光譜成像技術，利用珊瑚、礁石等產生的特殊譜信息，就能對地形地貌及其屬性進行詳細判斷，也為海底測繪提供了更多寶貴信息。

圖5 為海水總氮總磷光譜在線監測儀工作示意圖 ^[8] 

水下激光通信結合了通信速率高和無線鏈接的優勢，克服了水聲通信的帶寬窄、載頻低、延遲大等缺點。

典型的下激光通信系統主要由發射子系統、水下信道、接收子系統三大部分組成。來自信源的信息數據，通過數字轉換、信息編碼和調製等過程後變為電信號；電信號驅使激光器發射離散的激光脈衝信號，通過光學系統準直並進入水下信道；接收子系統通過光電檢測器件將接收到的光信號還原為電壓或電流電信號，完成信號放大、解調和信息解碼後恢復原始信息數據。

水下激光通信技術在海水環境監測、水下無人航行器（AUV，UUV）和水面船隻通信、水下傳感器組網、海洋礦藏探索以及水下設施的視頻監控等應用中具有十分重要的經濟價值和戰略意義。

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