[科普中國]-海洋光學(xué)

海洋光學(xué)是研究海洋的光學(xué)性質(zhì)、光在海洋中的傳播規(guī)律和運(yùn)用光學(xué)技術(shù)探測海洋的科學(xué)。它是海洋物理學(xué)的分支學(xué)科，又是光學(xué)的分支學(xué)科。光電子學(xué)方法是海洋光學(xué)測量的主要手段，基礎(chǔ)研究中包括實(shí)驗(yàn)和理論兩方面。實(shí)驗(yàn)方面主要運(yùn)用現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室的測量方法進(jìn)行海洋光學(xué)性質(zhì)的研究。1

發(fā)展簡史早在19世紀(jì)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(jì)末開始，海洋學(xué)家才比較注意研究海洋的光學(xué)性質(zhì)，并結(jié)合海洋初級生產(chǎn)力的研究，用光電方法測量海洋的輻照度。到了20世紀(jì)30年代，瑞典等國的科學(xué)家設(shè)計(jì)制造了測定海水的線性衰減系數(shù)、體積散射系數(shù)和光輻射場分布的海洋光學(xué)儀器，進(jìn)行了一系列現(xiàn)場測量。 從第二次世界大戰(zhàn)后到60年代中期，是海洋光學(xué)的發(fā)展時(shí)期：1947～1948年，瑞典科學(xué)家在環(huán)球深海調(diào)查中（“信天翁”號），首次將海洋光學(xué)調(diào)查列入重要的海洋調(diào)查計(jì)劃，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(diào)查中，致力研究了重要海區(qū)的初級生產(chǎn)力和光輻照之間的關(guān)系；1957～1958年，在國際地球物理年(IGY)的調(diào)查中，測量了北大西洋的水文要素和光學(xué)參數(shù)，并研究其相互的關(guān)系；美國、蘇聯(lián)、法國等國，相繼建立了實(shí)驗(yàn)基地，詳盡研究了海水固有光學(xué)性質(zhì)和海洋表觀光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系；美國R.W.普賴森多費(fèi)爾提出了比較系統(tǒng)的海洋光學(xué)理論，發(fā)展了海洋輻射傳遞理論；一些學(xué)者對水中能見度理論、海洋光學(xué)測量模型、光輻射場與海水固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。

60年代中期以后，隨著近代光學(xué)、激光、計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)遙感和海洋科學(xué)的發(fā)展，海洋光學(xué)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，特別是結(jié)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(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系等問題，使海洋光學(xué)從傳統(tǒng)的唯象研究轉(zhuǎn)入物理的和技術(shù)的研究。2

研究內(nèi)容基礎(chǔ)研究包括實(shí)驗(yàn)和理論兩方面。實(shí)驗(yàn)方面主要運(yùn)用現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室的測量方法進(jìn)行海洋光學(xué)性質(zhì)的研究?？梢姽獠ǘ问悄芡溉牒Ｖ械碾姶挪ǖ闹饕ǘ?，其傳播規(guī)律決定于海洋水體的散射和吸收等性質(zhì)。各海區(qū)的光學(xué)性質(zhì)和海洋水體的組分密切相關(guān)，因此海洋光學(xué)調(diào)查是研究區(qū)域海洋光學(xué)性質(zhì)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(xué)的主要理論基礎(chǔ)，從輻射傳遞方程出發(fā)，主要運(yùn)用隨機(jī)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(jié)構(gòu)海洋水體、均勻海洋水體、海洋－大氣系統(tǒng)、窄光束水中傳輸?shù)饶Ｐ?，?guī)律。

海面光輻射研究主要研究日光射入海洋后，經(jīng)過輻射傳遞過程所產(chǎn)生的、由海洋表層向上的光譜輻射場。它是光學(xué)遙感探測海洋的主要信息來源，是建立光學(xué)海洋遙感模型的重要依據(jù)。

水中能見度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(fā)，可導(dǎo)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(tǒng)。

激光與海水的相互作用主要研究激光在水中受到的散射、吸收及其所遵循的傳輸過程。70年代以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(xué)分析和海洋的溫度、鹽度按深度的分布，打下了基礎(chǔ)。

海洋水體的光學(xué)傳遞函數(shù)用線性系統(tǒng)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(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)、海水光學(xué)傳遞函數(shù)與海水固有光學(xué)參數(shù)的關(guān)系。它是建立海洋激光雷達(dá)方程和水中圖象系統(tǒng)質(zhì)量分析的重要依據(jù)。2

與其他學(xué)科關(guān)系海洋光學(xué)與物理海洋學(xué)的研究密切相關(guān)。測定海水的光學(xué)性質(zhì)，為研究海流、上升流、海洋鋒、水團(tuán)、海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)等提供了另一種有效的手段；隨機(jī)海面的光學(xué)研究，為遙測海浪方向譜建立了物理模型，并為現(xiàn)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(chǎn)力（見海洋生物生產(chǎn)力）的研究和調(diào)查，與海中輻照度的分布、海水輻射能密度分布、海中輻射能的貯存等有直接的關(guān)系，例如輻照度為海洋初級生產(chǎn)力方程的主要參數(shù)。探測海洋的光學(xué)遙感傳感器的波段、視場角和動態(tài)范圍等參數(shù)，都要根據(jù)海面光譜輻射的數(shù)據(jù)來確定（見海洋光學(xué)技術(shù)）。海洋輻射傳遞理論，是水色光學(xué)遙感方法的基礎(chǔ)。

海洋光學(xué)的發(fā)展目的與近代光學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)：光電子學(xué)方法是海洋光學(xué)測量的主要手段，激光技術(shù)的發(fā)展，例如可調(diào)諧激光、水中新型藍(lán)-綠激光、高時(shí)間分辨率激光技術(shù)等，已成為海水激光光譜研究的重要手段，是發(fā)展海洋探測激光雷達(dá)的技術(shù)基礎(chǔ)。近代光學(xué)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(jī)量的統(tǒng)計(jì)分析研究奠定了基礎(chǔ)。

基本參數(shù)性質(zhì)太陽和天空輻射通過海面進(jìn)入海中所形成的海洋輻射場分布，主要表現(xiàn)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(guān)的光學(xué)性質(zhì)。

衰減長度(AL)單色準(zhǔn)直光束通過海水介質(zhì)，輻射能呈指數(shù)衰減變化。海水的體積衰減系數(shù)是波長的函數(shù)，通常認(rèn)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(shù)約為0.2~0.6m,其衰減長度約為1.2~5m3。大洋清潔海水的光譜透射窗口為0.480um，體積衰減系數(shù)約為0.05m,其衰減長度約為20m。

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(shù)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(nèi)的表層所吸收，所以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(lán)綠光附近，雖然它們的入射功率還不到太陽總?cè)肷涔β实?/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(shí)測表明：水下太陽垂直平面內(nèi)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(dá)20個(gè)衰減長度后，輻亮度趨于對稱的極限分布，此時(shí)輻亮度衰減系數(shù)к趨于極限值k，k與方向無關(guān)，且小于μ值。因而漸近極坐標(biāo)曲面就是一個(gè)圍繞垂軸旋轉(zhuǎn)、偏心率為k/μ的橢球。k/μ只取決于固有光學(xué)性質(zhì)，與大氣光學(xué)狀態(tài)和海況無關(guān)。普賴森多費(fèi)爾在標(biāo)量輻照度衰減系數(shù)к0為常數(shù)的假設(shè)下，用輻射傳遞理論完成了漸近分布存在性的數(shù)學(xué)證明。

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(shù)律衰減，以海平面為基準(zhǔn)，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(guān)。一般海區(qū)表層水的Ed的極大值處于波長為480～500nm處。在大洋水中，隨深度的增加，此峰值移向 465nm。在懸浮顆粒和黃色物質(zhì)較多的混濁海區(qū)，由于選擇吸收的結(jié)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很窄的藍(lán)光區(qū)，其向下輻照度的衰減系數(shù)кd也趨于常數(shù)，約為0.03。特別令人注意的是，對海洋初級生產(chǎn)力有重大影響的上升流區(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(jīng)海面折射進(jìn)入海水后，隨其天頂角的增大而產(chǎn)生部分偏振。當(dāng)透射光被海水和懸浮顆粒散射時(shí)，它的偏振分布會有很大的變化。太陽方位角不同時(shí)，垂直面上的偏振分布不同。偏振度隨著深度的增大而逐漸減小，到達(dá)輻亮度極限分布的深度后，偏振度也達(dá)到極限值。

研究方向海洋光學(xué)遙感海洋光學(xué)遙感的主要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(dá)進(jìn)行探測，包括利用可見光對海洋進(jìn)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(jù)某海區(qū)上空的云量變化推斷大氣環(huán)流季節(jié)交替的具體時(shí)間、從云的分布推斷該海區(qū)水溫的水平和垂直結(jié)構(gòu)；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(xiàn)象；紅外波段可以用來觀測厚度約為1m的海洋表面水溫。

海洋光學(xué)遙感能夠?qū)崿F(xiàn)對海洋水色、海洋環(huán)境、海洋動力過程和初級生產(chǎn)力等海面瞬間信息的大范圍監(jiān)測以及長達(dá)數(shù)年至幾十年的長序列海洋數(shù)據(jù)采集，對維護(hù)海洋權(quán)益、防災(zāi)減災(zāi)、海洋資源管理與開發(fā)等方面都具有重要的戰(zhàn)略意義。

水下光學(xué)成像水下光學(xué)成像技術(shù)是認(rèn)識海洋、開發(fā)利用海洋和保護(hù)海洋的重要手段和工具，具有探測目標(biāo)直觀、成像分辨率高、信息含量高、圖像質(zhì)量好、畫幅速率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于水中目標(biāo)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(huán)境監(jiān)測、救生打撈等領(lǐng)域。

右圖為我國自主研發(fā)的首款全海深高清攝像機(jī)第一次拍攝到8152米處的深海獅子魚進(jìn)食5

由于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(shù)發(fā)展的瓶頸。為了克服水下惡劣環(huán)境對成像的影響，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和高質(zhì)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(huán)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(jìn)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(qiáng)成像光束能量的同時(shí)，也會產(chǎn)生大量的后向散射光，影響成像質(zhì)量。因此，一般水下照明系統(tǒng)采用成像與照明分離布局，以減少后向散射對成像的影響。

水下距離選通成像技術(shù)有效降低了后向散射光對成像質(zhì)量的影響。對于主動脈沖照明，后向散射光和目標(biāo)反射光到達(dá)成像接收器件具有時(shí)間差。距離選通成像技術(shù)通過控制成像快門的開閉，將非目標(biāo)反射光束到達(dá)時(shí)間段的光束隔離在接受器件之外，只接收目標(biāo)反射光束到達(dá)時(shí)間段的光信號，達(dá)到排除雜散光干擾，提高接收數(shù)據(jù)的信噪比的目的，進(jìn)而增加成像距離和提高成像質(zhì)量。理論上該技術(shù)的成像距離最遠(yuǎn)可達(dá)到4－6倍衰減長度，該技術(shù)單次成像只能獲取預(yù)設(shè)好距離的目標(biāo)，如對其他距離成像則需重新設(shè)置快門。

水下激光掃描成像技術(shù)通過線掃描或點(diǎn)掃描的方式對目標(biāo)進(jìn)行采樣，然后將采樣信號按位置拼接得到目標(biāo)的灰度圖像。由于照明激光能量更為集中，單位面積的目標(biāo)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(qiáng)度，從而增加成像距離。理論上，點(diǎn)激光掃描成像技術(shù)最大作用距離能達(dá)到10倍衰減長度。但是由于水體對準(zhǔn)直光束的擴(kuò)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(shù)低。同時(shí)由于其多次采樣的原因，采樣時(shí)間較長。

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(shù)相比，該技術(shù)同樣利用雜散光和回波信號光的非同時(shí)性來排除雜散光對成像的影響。但不設(shè)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(jī)系統(tǒng)只有一個(gè)接收器，接收器件的采樣頻率可以達(dá)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(shí)間序列回波信號，不同距離的回波信號被按時(shí)間順序接收。需要對哪一距離的目標(biāo)成像，則將每一采樣序列中對應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)提取出來，組成壓縮感知采樣值向量。將該向量代入重構(gòu)算法中即可計(jì)算出相應(yīng)距離的圖像。相比于水下距離選通成像方法，該技術(shù)成像距離可提高1倍；相比于水下激光掃描成像技術(shù)，該技術(shù)采樣數(shù)量少60%~90%，大大降低了系統(tǒng)硬件的成本和難度。該技術(shù)具有成像靈活、系統(tǒng)簡單、成本低廉和系統(tǒng)誤差小等諸多優(yōu)點(diǎn)。

光纖水聽技術(shù)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(jìn)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、重量輕、易于組成大規(guī)模陣列等特點(diǎn)，是先進(jìn)光纖光電子技術(shù)與水聲工程技術(shù)交叉融合形成的新興技術(shù)6。

按照傳感原理不同，光纖水聽器可以分為相位調(diào)制型光纖水聽器和波長調(diào)制型光纖水聽器。干相位調(diào)制型光纖水聽器的水聲敏感部分為光纖干涉儀，當(dāng)聲壓作用在干涉儀上時(shí)，信號臂長度發(fā)生改變，導(dǎo)致干涉儀輸出光信號的相位發(fā)生改變，通過檢測相位的變化就可以得到水聲信號的強(qiáng)度和頻率信息。相位調(diào)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(dá)到較高的靈敏度，光纖水聽器必須采用很長的光纖，從而限制了干涉型光纖水聽器的最小尺寸和在超細(xì)線陣等一些重要領(lǐng)域的應(yīng)用。在走向大規(guī)模陣列應(yīng)用的過程中，空分、時(shí)分、波分等各種復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用使得干涉型光纖水聽器陣列體積和技術(shù)復(fù)雜性不斷提高。

隨著光敏光刻技術(shù)的發(fā)展，在光纖上在線制作光纖光柵功能器件的技術(shù)不斷成熟，這導(dǎo)致了波長調(diào)制型光纖水聽器的廣泛應(yīng)用7。波長調(diào)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(yīng)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(dǎo)致的波長變化即可得到聲壓信號的相關(guān)信息。

水下光譜探測水下光譜分析是海洋光學(xué)的一個(gè)重要分支，發(fā)揮了光譜技術(shù)特征性強(qiáng)、提供信息多、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢。

光譜技術(shù)利用光與物質(zhì)的相互作用來研究分子結(jié)構(gòu)及動態(tài)特性，它可以通過獲取光的發(fā)射、吸收與散射信息，獲得與樣品相關(guān)的化學(xué)信息，如組成成分及成分的動態(tài)變化等。根據(jù)實(shí)測的水體光譜輻射數(shù)據(jù)，可推導(dǎo)光譜反射率、漫射衰減系數(shù)等水體光學(xué)參數(shù)，估算海洋光合作用及其初級生產(chǎn)量，滿足水色遙感現(xiàn)場光輻射測量、海洋光譜分析和生物-光學(xué)算法開發(fā)等需求。再結(jié)合光譜成像技術(shù)，利用珊瑚、礁石等產(chǎn)生的特殊譜信息，就能對地形地貌及其屬性進(jìn)行詳細(xì)判斷，也為海底測繪提供了更多寶貴信息。

右圖為海水總氮總磷光譜在線監(jiān)測儀工作示意圖8

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

典型的下激光通信系統(tǒng)主要由發(fā)射子系統(tǒng)、水下信道、接收子系統(tǒng)三大部分組成。來自信源的信息數(shù)據(jù)，通過數(shù)字轉(zhuǎn)換、信息編碼和調(diào)制等過程后變?yōu)殡娦盘?；電信號?qū)使激光器發(fā)射離散的激光脈沖信號，通過光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直并進(jìn)入水下信道；接收子系統(tǒng)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(diào)和信息解碼后恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。

水下激光通信技術(shù)在海水環(huán)境監(jiān)測、水下無人航行器（AUV，UUV）和水面船只通信、水下傳感器組網(wǎng)、海洋礦藏探索以及水下設(shè)施的視頻監(jiān)控等應(yīng)用中具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

相關(guān)學(xué)科光學(xué)、幾何光學(xué)、波動光學(xué)、大氣光學(xué)、量子光學(xué)、光譜學(xué)、生理光學(xué)、電子光學(xué)、集成光學(xué)、空間光學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、核物理學(xué)、固體物理學(xué)、大氣科學(xué)、氣候?qū)W、物候?qū)W、古氣候?qū)W、年輪氣候?qū)W、大氣化學(xué)、動力氣象學(xué)、大氣物理學(xué)、大氣邊界層物理、云和降水物理學(xué)、云和降水微物理學(xué)、云動力學(xué)、雷達(dá)氣象學(xué)、無線電氣象學(xué)、大氣輻射學(xué)、大氣光學(xué)、大氣電學(xué)、平流層大氣物理學(xué)、大氣聲學(xué)、天氣學(xué)、熱帶氣象學(xué)、極地氣象學(xué)、衛(wèi)星氣象學(xué)、生物氣象學(xué)、農(nóng)業(yè)氣象學(xué)、森林氣象學(xué)、醫(yī)療氣象學(xué)、水文氣象學(xué)、建筑氣象學(xué)、航海氣象學(xué)、航空氣象學(xué)、軍事氣象學(xué)、空氣污染氣象學(xué)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

屈明 - 副研究員 - 西南大學(xué)