文献综述
一、研究的背景和意义
目前水下探测主要采用声纳，但是这种探测手段具有局限性。水声探测对远处的物体能够准确探测，但是在近处探测效果较差甚至存在盲区[1]。尽管现代水声探测系统运用了各种先进技术改善其探测功能，但由于水声探测系统自身的缺陷以及目标（如潜艇，蛙人,UUV）使用消声技术和干扰技术，水声探测系统已经很难满足实际探测的需要。所以，人们正在寻找其他非水声探测系统与之互补。相比于水下声学探测，水下光学探测具有探测精度高、实时性强等优点，近年来也被广泛应用于水下搜救、水下资源勘测等领域。然而作为互补的水下光学探测系统由于受到水体及水中悬浮物的影响，成像探测的距离较近，且受到水体浑浊度严重限制，不能很好满足实际要求[2]。近年来民用和军用的需要，迫切的需要一种能够克服不同水体环境的水下光学探测系统。海洋激光雷达系统利用对海水穿透能力很强的激光代替声纳使用的声波进行探测[3]。为了提高水下探测距离，主动照明的激光强度不断增加，如海洋激光雷达系统利用强激光代替声纳使用的声波进行探测[3]。然而任何一种新技术的产生在很大程度上弥补了先前技术的缺陷与不足，但同时也带来了新的问题需要我们去研究和解决。因此，为了提高激光在水下的穿透能力，考虑到不同水体的成分复杂性，就需要研究激光的波长、偏振、强度以及水体的吸收、散射对激光在水下传播距离的影响。
二、国内外发展现状
水对光传输的影响主要有强吸收与散射，目前国内外对水下光传播的研究也主要集中在水体对光波的吸收和散射上。由于人造目标物和典型的自然物体在偏振度等偏振指标上有着明显的不同，因此近年来偏振探测技术也逐渐被引入到水下成像探测领域。以下分别予以介绍：
吸收对水下光传播的影响
海水光吸收表现为入射到海水中的部分光子能量转化为其它形式的能量，如热动能、化学能等，所以海水的光吸收表现出的是衰减机制。海水的吸收特性与海水中所含物质的成分密切相关，海水中所含成分的吸收特性决定着海水的吸收特性。吸收系数的大小依赖于波长[4]。
假如把光看作是纯净的均匀的物质，并没有发生散射时，此时有
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) |
(1) |
c为衰减系数与波长和海水成分有关，r为距离，I(0)起始的光强[5][6]。
Duntley S Q，在1963年对光在水下的传播做了研究，得到了不同波长的光在蒸馏水中的衰减情况[7]。
表 2.1 列出了不同波长的光在蒸馏水中的衰减情况。可见，光波在纯水中传播时，蓝光的衰减最弱，但在含有各类有机和无机粒子的自然水体中，受粒子特性的影响，绿光的衰减与也较弱，但总体衰减情况主要由水体对光波的吸收和散射作用决定[8]。
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波长(micro;m) |
衰减长度(m/ln) |
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400 |
13.0 |
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440 |
22.0 |
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480 |
28.0 |
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520 |
25.0 |
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560 |
19.0 |
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600 |
5.1 |
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650 |
3.3 |
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700 |
1.7 |
表2.1不同波长的光在蒸馏水中的衰减
散射对水下光传播的影响
光在水中的散射有两种：瑞利散射和米氏散射。
图2.1散射的几何模型
图2.1给出散射的几何图像，散射中心位于O点，可以是单个粒子，也可以是含有N个粒子的单位散射体积。入射光沿Z轴正方向，OD为散射光的传播方向，它与Z轴正方向夹角即散射角为theta;，散射光的传播方向与入射光的传播方向组成的平面为散射平面（即ZOD为散射平面）。当散射光与入射光方向不平行时，散射平面可以由方向角phi;唯一确定（OP为OD在平面XOY上的投影）；而当散射光与入射光方向平行时，包含Z轴的任意平面都可以作为散射平面。
瑞利散射是尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象。根据英国物理学家瑞利研究指出[9]，分子散射强度与入射光的波长四次方成反比，且各方向的散射光强度是不一样的[10]。
而米氏散射是当粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏散射。要求假设所有尺寸的粒子均为均匀球形粒子。
从物质上区分散射时，情况有两种，一种是海水本身的散射，海水本身的光散射取决于三种类型的变化：密度起伏，各向异性水分子运动方向的起伏，以及溶解物质的浓度起伏[10]。因为纯水的散射常被当作一种分子散射，体积散射函数表示在方向单位散射体积、单位立体角内散射辐射强度与入射在散射体积上的辐照度之比[11]，一般采用散射系数表示通过单位路程由于散射导致的单色准直光能量衰减：
体积散射函数和散射系数之间的关系为：
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) |
(2) |
为立体角，
可以运用瑞利散射理论处理。因而其体积散射函数具有如下形式：
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) |
(3) |
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) |
(4) |
另一种是不溶于海水的悬浮粒子所引起的散射。
由于不同水体悬浮粒子的成分，浓度，大小，分布及其复杂，这就给理论和实验带来了极大的困难，目前还没有一种可以严格的理论模型来描述水体中悬浮粒子的散射，主要是使用不同的等效模型来替代和近似。
以下是几种国外学者提出的水中悬浮质的米氏散射近似理论:
Henyey和Greenstein提出了One Term Henyey-Greenstein 函数这是一种经验相位函数，最初用于天体物理学和大气物理学中的辐射传输计算[12][13]。后来，由于其简单的数学形式，研究人员开始使用OTHG相位函数来估计海洋微粒的光散射。它的形式是
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) |
(5) |
其中，即为散射角余弦值的均值，定义为。
而OTHG 相位函数不足以估计在接近20°以下和远大于150°后向角的散射，所以Haltrin提出了Two Term Henyey-Greenstein相位函数作为连个相位函数的加权和[12][14]。
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) |
(6) |
式中，的范围是0～1表示两个相位函数的相关贡献值。
Sahu and Shanmugan发展了具有平背近似关系的Sahu and Shanmugan 相位函数， 最早在[15]提出，并在[16]中发展, 这个相函数描述散射角度范围在0.1°lt;theta;le;90°的海洋微粒非常有效，用半解析的方法推导出的这个相函数需要大量的折射率(n)和粒径分布斜率(xi;)作为输入.它的形式是
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) |
(7) |
Palanisamy Shanmugam和Sanjay Kumar Sahu分析总结了以上3种散射模型（OTHG、TTHG、Sahu and Shanmugan），并得到了Sahu and Shanmugan相位函数优于其他2种并适用于所有角态的结论[12]。
除此之外还有其他几种散射模型[10]:
指数型体积散射函数
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) |
(8) |
不同的值表示不同程度的散射前向选择性，值越大，前向散射越强烈。
Guass 型体积散射函数
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) |
(9) |
式中 D 为粒子的直径，为入射波长。
等效球的米氏理论
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) |
(10) |
其中： 为粒子半径；N 为粒子密度； 为实际散射截面与几何截面之比。
原则上，有粒子的大小和密度可计算出 ，即
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) |
(11) |
蔡启铭，杨平在1991年对太湖悬浮质对湖面反照率与水体光吸收的影响做了研究。将斯托克斯矢量与米氏散射理论结合[17]。表示出用于计算水体的散射相矩阵，描述了散射光的能量和偏振性质的角分布特征[18]。
目前模拟激光水下照明效果有以下三种方法：[19]
- 指数衰减模型不考虑水体散射作用，只适用于照明距离近且散射系数小的情况 ，当水体散射作用加强时，照明光束会出现空间展宽；
- 蒙特卡罗方法通过光子随机抽样对照明效果进行建模，虽然能够得到目标上照度的精确分布，但模型精度取决于计算参数和光子数的选择，并且计算量大[20][21][22];
- 把水体看成线性空间不变系统，激光出射光强分布 g(r)为输入信号，可分解为大量细光束(冲击信号)，光束扩展函数 FBS(r)是细光束经过水体后在目标平面上的照度分布，即系统对冲击信号的响应，FBS(r)与 g(r)卷积得到水下目标平面上的总体照度分布i(r)。
方法1只适用于很短的距离并且散射系数小的情景，此时散射对光传播7影响不大，但是在实际上应用很少。方法3没有考虑水体变化的情况。方法2使用蒙特卡洛计算法是模拟水下光传播的常用方法,模拟各个光子出现位置的概率，得到像平面的照度图。
偏振对水下光传播的影响
YALONG GU，CARLOS CARRIZO,ALEXANDER A. GILERSON对光在浑浊的水体中传播的偏振特性做了研究[23]，获得了简化的水下偏振成像模型，并对全斯托克斯矢量成像摄像机获得的具有已知偏振特性的人造水下目标偏振图像进行了实验分析。利用前向偏振成像过程中获得的知识，探索了一种方法来获取水的固有光学特性和目标的偏振特性[24]。
图2.2是YALONG GU等人所作实验的示意图，在水缸前放置摄像机，另外一侧紧贴水缸放置偏光器，其后放置积分球。根据实验要求在水中添加进不同的浑浊物。
图2.2水下偏振实验示意图
但是，他们的工作是基于海洋浑浊的假设。真实的水下环境是浑浊而动荡的。海洋湍流模糊了水下目标的成像，改变了传播光束的偏振特性。所以仍需要做很多工作来揭示光在海洋中传播的基本物理原理和相关的偏振变化。
韩平丽分析了偏振光在水体传播过程中偏振状态的变化情况，结果表明，无论圆偏振光还是线偏振光，经水体散射后偏振程度均存在一定的退化，且随散射强度增大，前向散射光中的退偏程度远大于后向散射光，后向散射光整体保持较高的偏振度[25]。
小结
目前对水下光传输的研究重点在于选取合适的散射函数，然后使用蒙特卡罗计算方法进行模拟。实验的环境往往是在实验室内对水体进行模拟或者采用其他来源的水体数据进行仿真，而实地对水体进行采样研究的较少。由于水体并不是一个静态的系统，目前的研究对水体的湍流扰动和不同时刻悬浮物沉积情况考虑较少，是以后工作应当考虑的一个因素。为了解决水下光传输距离过短的问题，今后的工作将以激光强度、波长（频率）、偏振、水体浑浊度及目标物材料等与激光的传播距离或成像距离之间的关系为重心。
参考文献：
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文献综述
一、研究的背景和意义
目前水下探测主要采用声纳，但是这种探测手段具有局限性。水声探测对远处的物体能够准确探测，但是在近处探测效果较差甚至存在盲区[1]。尽管现代水声探测系统运用了各种先进技术改善其探测功能，但由于水声探测系统自身的缺陷以及目标（如潜艇，蛙人,UUV）使用消声技术和干扰技术，水声探测系统已经很难满足实际探测的需要。所以，人们正在寻找其他非水声探测系统与之互补。相比于水下声学探测，水下光学探测具有探测精度高、实时性强等优点，近年来也被广泛应用于水下搜救、水下资源勘测等领域。然而作为互补的水下光学探测系统由于受到水体及水中悬浮物的影响，成像探测的距离较近，且受到水体浑浊度严重限制，不能很好满足实际要求[2]。近年来民用和军用的需要，迫切的需要一种能够克服不同水体环境的水下光学探测系统。海洋激光雷达系统利用对海水穿透能力很强的激光代替声纳使用的声波进行探测[3]。为了提高水下探测距离，主动照明的激光强度不断增加，如海洋激光雷达系统利用强激光代替声纳使用的声波进行探测[3]。然而任何一种新技术的产生在很大程度上弥补了先前技术的缺陷与不足，但同时也带来了新的问题需要我们去研究和解决。因此，为了提高激光在水下的穿透能力，考虑到不同水体的成分复杂性，就需要研究激光的波长、偏振、强度以及水体的吸收、散射对激光在水下传播距离的影响。
二、国内外发展现状
水对光传输的影响主要有强吸收与散射，目前国内外对水下光传播的研究也主要集中在水体对光波的吸收和散射上。由于人造目标物和典型的自然物体在偏振度等偏振指标上有着明显的不同，因此近年来偏振探测技术也逐渐被引入到水下成像探测领域。以下分别予以介绍：
吸收对水下光传播的影响
海水光吸收表现为入射到海水中的部分光子能量转化为其它形式的能量，如热动能、化学能等，所以海水的光吸收表现出的是衰减机制。海水的吸收特性与海水中所含物质的成分密切相关，海水中所含成分的吸收特性决定着海水的吸收特性。吸收系数的大小依赖于波长[4]。
假如把光看作是纯净的均匀的物质，并没有发生散射时，此时有
