激光探测海洋光学环境的重要性

海水是海洋光学信息传输的介质，进行激光水下通信、激光海洋深度测量、海底地貌探测、海洋资源探测和开发等，都需要知道海水光学特性及其参数。

（一）海水光学特性

海水光学特性主要包括光学吸收特性、光学散射特性和光学反射特性。主要参数包括体积光学衰减系数、体积光学吸收系数和光学反射系数。

1．海水光学吸收特性

海水的光学吸收表现为入射到海水中的部分光辐射能量转化为其他形式的能量如热能、化学能等，所以海水的光吸收表现出的是光强度随着传播距离衰减，其衰减特性与海水物质成分有密切关系，即海水中所含的物质成分决定着海水的光学吸收特性。从宏观上看，海水是一种十分复杂的物理、化学和生物系统，海水中不仅含有水分子和无机溶解质，还包含大量的悬浮体和各种有机物。因此，可以把海水看作是一种混浊的介质。也就是说，海水对光的吸收特性不仅与海水水体本身的吸收有关，还与海水中所含的物质成分紧密相关，亦即海水的光学吸收包含海水水体本身的光学吸收、溶解有机物（黄色物质）的光学吸收、浮游植物的吸收和有机碎屑的光学吸收。

1）海水水体本身的光学吸收

图2-8　纯净海水光学吸收光谱

海水水体本身的光学吸收是海水最重要的、本质的光学吸收。当入射光的光波频率接近水分子的本征振动频率时吸收变得非常强烈，发生共振吸收。水分子是极化的，在红外和紫外波段产生强烈共振吸收。图2-8是其吸收光谱，在红外和紫外波段的光辐射表现出强烈光学吸收，而在可见光波段的光学吸收较弱。海水的水体光学吸收光谱接近于纯水的光学吸收光谱，也显示出在可见光范围内吸收比较弱，在波长450～580 nm蓝绿光波段的光学吸收最弱，光学吸收系数平均不足0．04 m－1，它有海水光学窗口之称。

2）海水杂质光学吸收

实际的海水中存在各种杂质，包括无机盐、溶解的有机物质、浮游植物、碎屑、细菌及矿物悬浮体等，其中海水中大量溶解的可溶性有机物质，它是海洋生物及来自陆地的有机体腐败分解而形成的，通常呈黄色，因此被称为“黄色物质”，它对光辐射吸收特性影响很大，在可见光范围对海水光学吸收的作用远大于水分子。海洋沿岸的海水比较混浊，即使经过反复过滤，其光学吸收能力仍然远大于纯水，主要原因就是含有黄色物质。

黄色物质大多存在于河口和近海区域，所以，在这些水域的海水对光辐射能量吸收较强，而外海和大洋中，这里的有机物和悬浮物含量低，这些区域对光辐射能量的吸收就较弱。在近海海水的光学吸收率在蓝绿波段一般约为0．1 m－1，在大洋海水的光学吸收率约为0．06 m－1。

3）海水光学吸收系数

它定义为入射准直光束在海水中传输单位距离后被吸收的能量所占的比例，其数值与光波长有关。

（1）黄色物质的光学吸收系数。图2-9是海水中黄色物质的光学吸收系数与光波长的关系，与波长近似呈负指数关系。在紫外和可见光区都有着强烈的光吸收特性，光学吸收系数向红外光波段方向逐渐下降，至接近为零。

图2-9　黄色物质的光学吸收系数与光波长的关系

图2-10　海洋中浮游植物（叶绿素）的光学吸收系数按波长分布图

（2）海水中浮游植物的光学吸收系数。海水中还含有大量浮游植物，其含有的叶绿素能将光辐射能转化成生物能，对光的吸收作用起决定性影响。随着水体环境和藻类的变化，它们的浓度将发生改变，相应地其光学吸收也发生变化，图2-10是浮游植物（叶绿素）光学吸收系数随波长变化图，图中显示光学吸收系数在波长440 nm的青紫光和波长670 nm的橙红光处出现吸收峰值。

（3）有机碎屑的光学吸收系数。有机碎屑主要是由死亡的海洋生物、悬浮的沙粒和矿物微粒组成，尤其是在浅海区域其含量较高，图2-11是其光学吸收系数谱图。由图可见，光学吸收主要发生在可见光波段的两端，对于中间的蓝绿到橙红波段相对较弱。

图2-11　海洋中有机碎屑的光学吸收系数按波长分布图

海水的总光学吸收系数是前面4种光学吸收系数的和，4种吸收系数所占比例在实际不同海域中有较大的差异，不同水域、不同海水深度、不同时段也都各不相同。因此，在选择海洋水下激光通信的激光器时需要根据实际的海水状况，选择相应光学吸收系数最小波段的激光器。比如，在海洋沿岸比较浑浊的海水中，黄色物质对光的吸收占海水总光学吸收的65%以上，相应的海水吸收波长最小波长位置是在550 nm左右，此时就宜选择输出黄绿色激光的激光器；而对于大洋表层水，其光学吸收系数极小值位置在波长510 nm附近，此时可选用输出绿光色激光的激光器作为通信用的光源；在透明深水中，光学吸收系数极小值在波长470～490 nm处，便应选择输出蓝绿色激光的激光器作为通信光源。

2．海洋光学散射特性

海洋水体的光散射是海洋光学特性的另外一种重要光学效应，它是由于海洋中的粒子，包括海水分子和各种微粒子所引起的。光学散射是指仅改变光子传输方向，而不改变光子其他特性的随机过程，光学散射的发生，其被散射的光子并没有消失，它们依然存在于海水中，只是它们偏离了原先的传播方向，朝其他方向传播而已。描述海水光学散射过程的重要物理量是体散射函数，它用散射角度的函数表示光学散射特性，显著特点是不同表层海水其前向散射区的体散射函数很相似。

入射到海洋中的光束受到散射的作用，其光能量将分布在很宽的角度范围内，最重要的特点是出现明显的前向散射，即在海洋中都存在着一个尖锐的前向散射光区域，往前向散射的光强度比往其他方向的强。从理论上讲，入射到海洋中每个体积元的光辐射都会按照体积散射函数向各个方向散射，海洋中每个体积元都会接收到其他任意体积元散射的光辐射。由于具有强的前向散射区域，因此大部分光辐射还是沿着入射光方向传输。但随着传输距离增加，沿着入射光方向传播（即直射）的光辐射能量将逐渐降低，当传输路程足够长时，传输光束中属于多次散射的光辐射将占主导地位，直射光只占很少的一部分。

海洋对光的散射由两部分组成：一部分是海水水体本身的散射，另一部分是海洋中的悬浮粒子引起的散射。

1）海水本身的光学散射

这是由海水介质本身引起的散射，主要是由水分子以及比光波长小得多的无光学吸收粒子引起的散射，它是属于分子散射，可以用瑞利散射理论进行描述。海水本身引起光散射的损耗并不大。由于其体积散射函数不具有明显的方向选择性，从对光场衰减的作用效果来看，可以把海水本身的散射当作一种类似于光学吸收的衰减性质。

2）海洋悬浮粒子的光学散射

海水介质中的悬浮粒子对光的散射作用与其浓度、形状、大小及折射率分布具有密切关系。尺寸大小接近光波长的悬浮粒子引起的散射，主要属于米氏散射范畴，由米氏散射理论描述其散射特性。根据许多海洋调查的结果，由于海水浑浊度不同，其米氏散射系数一般在10－2～10－1m－1量级。对于很清澈的大洋海水，粒子的米氏散射系数值约为0．02 m－1，而近岸海水粒子的米氏散射系数一般为0．15 m－1，变化范围比较大。(www.zuozong.com)

悬浮粒子光学散射可以认为基本上决定着海水散射特性，一方面是因为海水的分子散射是固定不变的，更重要的是因为海水的分子散射即使在很清澈的海水中对总散射的贡献也很小，一般不超过总散射的1／10。所以，悬浮粒子大小和浓度分布的任何变化，都将会造成海水散射和光学衰减特性发生变化。海水散射随深度的变化也比较大，这是由于海洋不同深度的悬浮粒子大小和浓度分布变化造成的。

虽然散射光是发散的，但在靠近光束中心处的光辐射仍然较强，这说明多次散射仍保留着较强的前向散射特性。这个特性对于激光在海水中的能量传输十分重要，多次散射光在机载激光测量海洋深度中，将增加到达海底的光能量，从而增加了从海底返回的光信号强度。但另一方面，由于多次散射光子的传输路径要比几何路径长，这就会造成脉冲激光的时间展宽，即出现多通道效应，从而降低海洋深度测量的精度。

3）海洋光学散射系数

它定义为入射准直光束在海水介质中传输单位距离后，因散射而偏离原入射方向那部分所占的比例。海水的光学散射是由海水分子和海水中包含的微粒与光子相互作用，发生反射和折射所造成的传播路径改变、能量衰减现象。引起激光在水下传输时发生散射的主要因素包括水分子、浮游植物、悬浮颗粒及溶解有机物，其中悬浮颗粒和溶解有机物的光散射现象与颗粒直径大小有关，大致分为粒子直径比波长小得多、粒子直径和波长大致相当两种情况，前者属于瑞利散射，水分子是属于这种情况，后者基本上属于米氏散射。在实际的水下光传输中，如果海水中的杂质非常稀少，一般只考虑瑞利散射；而在含有各种杂质以及浮游动植物的海水里，理论上应同时考虑瑞利散射和米氏散射。然而就水分子的尺寸相对于入射波长较小的情况而言，发生瑞利散射时其沿散射方向的散射强度是与波长的4次方成反比，并且是各向同性的；同时，瑞利散射受海水圧强、温度、粒子尺寸及密度等因素影响不大。在海水环境中经实验测量证明，米氏散射的影响远远大于瑞利散射。

海洋中的米氏光学散射并不是各向同性的，前向散射比后向散射强得多。图2-12为同时考虑米氏散射与瑞利散射，对光子在海洋环境中的散射方向进行仿真的结果。

图2-12　海洋环境中各向光学散射对比

由图2-12可以看到，光子在海洋环境中的散射方向多为与入射方向正向一致（散射角≤｜π／2｜）的前向散射，只有少量光子发生了后向散射（散射角≥｜π／2｜），散射光的不对称因子都是在95%以上。

通常计算海洋对激光的散射和衰减都是假定海洋的海水水质在垂直方向上是均匀分布的。事实上，海水的水质是随深度而变化的，即海水存在混浊度不同的水层，水质越混浊，散射率也越大。有关研究显示，海水的混浊度先随海水深度增加而增大，并在20～30 m左右处达到最大值，随后又逐渐变小，并趋于稳定。相应的，海水的光散射系数也是先随海水深度的增加而增大，并在20～30 m左右处达到最大值，随后又逐渐变小，图2-13是海洋的光学散射系数随海洋深度变化的曲线。

图2-13　海洋光学散射系数随海深变化曲线

3．海洋面光学反射特性

观察太阳光照射海洋面时会看到海洋面局部不断发生闪烁变化，这是海洋面随波浪的起伏，不断改变着光反射方向的镜面反射现象。入射的光束能量（功率）从海洋面返回的有两部分，其一是从海洋面镜面反射回来的；其二是海洋面波浪反射回来的，海洋面受风的吹动产生波浪，在这种情况下，对入射光的反射就不能把海洋面看成镜面，而应当看成有一定粗糙度的漫反射。

从海洋面反射返回的光能量（功率）与入射光能量（功率）的比值称为海洋面光学反射率，所损失的激光能量不仅与光束入射海洋面的角度有关，而且与海洋面上的气候条件也有关。

（二）激光测量海洋光学参数

目前测量海洋光学参数的方法有多种，如水样透过率法、积分球法、光热法、表观光学参数法、声光法、反射式吸收管法等，利用机载海洋激光雷达测量是新方法。单脉冲激光从飞机上垂直向下射入海水中，如果假设海洋的水质沿垂直分布是均匀的，即海水的有效衰减系数的大小与海洋深度无关，那么在飞机上接收到的散射激光功率的对数与海洋深度呈线性关系，而该直线的斜率绝对值的一半就是有效衰减系数，它表示入射准直激光在海水介质中传输单位距离后总的衰减比例。只需通过线性拟合对数接收激光功率曲线，得到相应的有效衰减系数的大小，就可以估计海水的光学吸收系数和光学散射系数。这样一来就可以用于快速检测、绘制和监视海洋中异常的水质变化。

不过，要获得比较精确的海洋光学参数值，还需要考虑拟合起点和终点的选取、该估值方法的适用范围、估计的具体步骤等问题。机载海洋激光雷达接收到的返回激光信号通常包括海面反射激光脉冲、海水的后向散射激光和海洋目标反射激光脉冲，图2-14为接收到的激光回波波形。

图2-14　机载海洋激光雷达接收的典型激光回波波形

以上的测量计算方法都有一个限制条件，即假设海洋在垂直方向上的海水水质是均匀混合的，光学参数不随海洋深度而变化。然而，事实上海洋在垂直方向的水质上并不是均匀的，其物理和光学性质参数都是随深度变化的，这就是通常所说的海洋的分层结构。只不过由于在一般情况下海洋的光学性质参数随深度的变化并不是太大，因此通常看到的海洋后向散射激光脉冲包络的变化是接近单一的指数衰减，而用拟合得到的海洋光学参数估计值的误差可以限制在15%或更小的范围内。但是，对于那些海洋的光学性质在垂直方向上变化明显的水域，或者那些要求估计误差更小的场合，必须考虑海洋在垂直方向的水质分布非均匀性，修正得到的海洋光学特性参数值。

（三）激光监测海洋透明度

透明度是海洋中能见程度的一种量度，表示光线在海洋中透射的深度，它也是海洋光学性质的基本参数之一，反映海洋水质变化，也反映海水的混浊程度。不同海域其海洋透明度的分布是不一样的，大洋中的悬浮物较少，海洋透明度较大，一般为40～50 m；对南极洲沿岸作的测量结果显示，南纬70°23．6′、西经15°2．5′的海域的海洋最清澈透明，其周围海域的透明度不少于70 m。在近海沿线的悬浮物较多，能见度较差，一般为10～30 m；江河入海口地区的海洋泥沙含量比较大，海洋透明度更差，可能小到1～2 m。

监测海洋透明度有重要意义，对诸如海洋活动（如海洋养殖、海洋水下布雷等）、潜艇通信、海水下目标动向、海水下导弹发射、海水下建设和岛礁建设等都需要有这方面的信息。目前监测海洋透明度的方法已经有多种，如透明度计法、透明度盘法（塞氏盘）、光学仪器测量法、雷达反演法和激光技术监测等，其中的激光技术监测目前也有两种做法：一种是利用激光衰减仪，另外一种是利用激光雷达。

1．激光衰减仪监测

激光衰减仪是基于激光衰减测量法设计的海洋透明度监测仪器，如图2-15所示。仪器的测量部件主要由小功率激光器、倒置望远镜、分光片、狭缝光栏、水下照度计和水密封壳体等组成。激光器发射的激束通过倒置望远镜进行准直，然后经过分光片分成两束光，其中一束透过分光片进入大约1．5 m长的海水介质后，通过光栏被照度计2所接收；另一束光经过分光片反射后进入大约0．5 m长的海水介质，最后通过光栏被照度计1所采集。将这两个照度计收集到的激光光强相比较，便可得到海洋的光度学透明度值。

图2-15　激光衰减仪原理图

利用该仪器可以直接得到海洋的光度学透明度数值，测量速度比较快，测量准确度比较高且精度也比较高；其次，测量不受时间、天气的影响，可进行全天候透明度测量；第三是可以测量海洋任意方向上的透明度，测量的数据还可以转换成衰减长度，从而得到海水垂直方向上的透明度值。

2．激光雷达监测

机载激光雷达的最大探测海洋深度与海洋透明度之间存在比例关系，因此，利用激光雷达测量得到海洋深度，可以反演海洋的透明度。