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海洋光学

2012-11-23 21:40:39 来源:

  海洋光学是光学与海洋学之间的边缘科学。它主要研究海洋的光学性质、光辐射与海洋水体的相互作用、光在海洋中的传播规律,以及和海洋激光探测、光学海洋遥感、海洋中光的信息传递等应用技术有关的基础研究。、

 

海洋光学的发展简史

 

  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。不过直到19世纪末,海洋学家才开始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,进行了一系列现场测量。

 

  从第二次世界大战后到20世纪60年代中期,是海洋光学的形成时期,人们研制了各种测定海洋水体光学性质的海洋光学仪器,对各大洋光学性质进行了现场测量和调查。

 

  1947~1948年,瑞典科学家在环球深海调查中,首次将海洋光学调查列入海洋调查计划,测量了海水中光的辐照度、衰减和散射等;1950~1952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;1957~1958年,在国际地球物理年的调查中,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;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。

 

  20世纪60年代中期以后,是海洋光学的发展阶段。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,开拓了海洋光学研究的新领域。特别是结合信息传递的要求,理论上用蒙特-卡罗法定量地计算各种复杂模型的海洋辐射传递过程,使海洋辐射传递基础研究日趋完善,并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。

 

  目前,海洋光学已发展成为一门内容丰富、有相当应用价值的光学分支学科,使海洋光学从传统的唯象研究转入物理的和技术的研究。


海洋光学的研究内容

   海洋光学主要研究海洋水体对光辐射的散射、吸收、光谱等性质及光辐射在海洋中的传播规律。海水对光具有强散射和强吸收,其散射系数比大气约高4~6个数量级。其散射函数前向性很强,海水的光谱透射分布主要决定于吸收。 

  海中光传播规律主要决定于多次散射,研究海中光传播规律的海洋辐射传递理论是海洋光学的核心问题。已知海洋水体的散射函数和吸收系数,对海洋辐射传递方程求解,即可得到日光、人工光源和激光在海水中的传播规律。反之,由辐射场确定海水基本性质,是遥测海洋技术的基本方法。

 

  海洋光学的应用基础研究主要包括水中对比度及图像传输研究,海洋水体光学传递函数研究,激光与海洋水体相互作用研究和探测海洋的光学遥感模式研究等。

 

  激光与海洋水体的相互作用主要是研究海水激光荧光光谱、受激喇曼散射。海洋激光雷达所激起的海水激光荧光光谱是探测海水化学组分的基本遥测方法。海水受激喇曼散射随温度增高而红移,这种物理现象是激光雷达遥测海洋表层温度剖面的有效方法,精度可达±0.5摄氏度。

 

  利用多光谱遥感资料,根据海水中叶绿素强吸收光谱和透射光谱的比值,探测海洋叶绿素含量的方法称为光谱比值法。根据海水光谱透射特性及浅水海底反射光反映在多光谱遥感信息的差异,可大面积获取浅水水深的资料。河口泥沙分布、海区峰面运动、水团分布等都可由多光谱遥感信息经过数据处理获取。

 

  对海洋光学的开发研究也称为海洋光学工程。60年代以来比较活跃的领域有:水下摄影系统,包括潜水员操纵的水下摄像系统、水下照相系统以及深潜球装备的水下观察系统;海洋探测激光雷达系统,包括激光测深仪、激光荧光光谱仪、激光喇曼光谱仪等;海洋光学仪器,包括水中照度计、水中准直光透射率计、水中光散射仪、水中分光光度计等。

 

  海洋光学与物理海洋学的研究密切相关。通过测定海水的光学性质,为研究海流、上升流、海洋峰、水团等海洋细微结构提供了一种有效的手段;随机海面的光学研究,为遥测海浪方向谱建立了物理模型,并为现场测定海浪要素提供了快速而又有效的手段。

 

  海洋生物初级生产力的研究和调查,与海中辐照度的分布、海水辐射能密度分布海中辐射能的贮存等有直接的关系。例如,探测海洋的光学遥感传感器的波段、视场角和动态范围等参数,都要根据海面光谱辐射的数据来确定。

 

  海洋光学的发展与近代光学的发展密切相关,光电子学方法是海洋光学测量的主要手段。激光技术的发展,例如可调谐激光、水中新型蓝-绿激光、高时间分辨率激光技术等,已成为海水激光光谱研究的重要手段,是发展海洋探测激光雷达的技术基础。近代光学信息处理和信息传递理论,为海洋中光信息传递的研究及随机量的统计分析研究奠定了基础。

 

  在现代海洋光学的基础理论和实验技术方面的研究中,还有不少课题有待于深入研究。例如,鉴于单色光辐射传递模型已不能满足多光谱水色遥感的要求,必须进一步研究海洋辐射传递的逆问题,尤其是浅海和表层光谱辐射传递、非均匀水体光谱辐射传递、海-气系统光谱辐射传递逆问题的物理模型和计算方法;激光在水中单程的平衡态的传输过程的研究,已不能满足激光雷达探测海洋的要求,必须深入研究窄光束反向多次散射的辐射传递,和非平衡态辐射传递模型及其计算方法。

 

  再如,传统的船测方法已不能满足近代海洋光学发展的要求,必须发展海洋光学参数的遥测方法,研究新的海洋光学测量模型,以发展新的测量技术和测量仪器。同时,应着重加强应用研究,在海洋光学中不断引入近代光学方法和激光新技术,继续开拓海洋光学在海洋开发、海洋要素的探测及海洋技术中的应用。

 

  海洋光学的基础研究和应用研究不断沿用现代光学方法,应用范围日益扩大。海洋光学是许多学科的交叉点,其发展将与现代光学、海洋学、空间遥感技术、信息科学等密切相关。海洋光学所取得的成就及其发展,使它已成为一门新的光学分支学科。

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