海洋光学第五章-水-中-能-见-度汇总.ppt
第五章 水 中 能 见 度第一节 引言,能见度是从大气光学借用来的术语。水中能见度即水中视程，它比大气能见度低得多，一般水平方向水中能见视程为大气能见视程的千分之一。自身发光的物体或目标，在海水中经过长距离的传输是很难获得清晰图象的，即使有足够的光能量被水下观测系统所接收，也难以接收到高质量的图象。这是由于海水比大气有强烈的散射，这种强烈散射掩盖了目标的图象。这种现象甚至在最清澈的海水中也会发生。,引言（续）,目标发生朦胧和模糊的原因很简单，图象即是携带目标或物体信息的光束，由于它没有被散射或吸收，而进入到人眼或水下观测系统形成图象。如果人眼和水下观测系统同时接收到没有携带目标信息的散射光，这就造成了接收图象的模糊或信息量的丢失。在常规海洋测量中经常使用透明度盘（即Secchi盘），这种透明度盘是一个直径约为30cm的白色的圆盘。测量时必须在完全有太阳照射的情况下进行。透明度盘从船上垂直沉入海中，观察者从海表垂直向下观察。,引言（续）,当透明度盘沉放到刚刚消失的深度，此时对比度为零，因此可以用透明度盘测定海中的对比度。同时也可用透明度盘的对比度随深度的变化来估算光束衰减或漫射衰减系数。水中目标的识别，取决于目标与背景之间的辐亮度和颜色的差别。随观察距离的增大，水中的目标与背景的辐亮度的差别迅速减少，目标物变得更加模糊。由于水中能见度理论主要解决图象在水中传输的问题，因此海水的对比度和光学传递函数，都是主要的研究内容。,一.水中目标的固有对比度可表示为,式中 L0为目标的固有辐亮度；Lb0为目标处于海中环境的背景辐亮度。显然，固有辐亮度越大，背景辐亮度越小，目标的固有对比度越大。自身不发光理想黑物体的固有对比度必定为-1；处于理想背景下的目标固有对比度为。,二.在水中离目标距离r处所测得的对比度为表观对比度,表示为,式中Lr为在离目标r处测得的目标辐亮度；Lrb为在离目标r处的背景辐亮度。,三.水中表观对比度的观测,美国斯克里普斯海洋研究所能见度实验室曾用玻璃底壳船进行水中对比度观测，用光度计测量辐亮度。测得水体的光学参数为：,测得水中目标表观对比度Cr与距离r的关系为,实验证明，垂直观察时,而当沿 角倾斜观察时,图5.1 是沿水平方向(=90)测得的随变化的衰减曲线。图5.2是沿=58.8测得的随变化的衰减曲线。,图5.1 沿水平方向(=90)测得的随r变化的衰减曲线 返回,图5.2 沿=58.8测得的随r变化的衰减曲线 返回,第二节 水中对比度传输,一.水中对比度传输方程自身发光的物体或目标，在不发光的海水中经过无限距离的传输是不能被看见的，即使有足够的光进入到观察者眼中或被照相机拍到。实际上，即使是足够明亮很容易被辨别的发散光束，超出一定距离后则没有任何图象可以被察觉。物体是被它本身向观察者方向上所散射的光所掩盖，这一现象甚至在最清澈的水中也会发生。,目标发生朦胧和模糊的原因很简单，图象是一小部分光离开物体后没有被散射或吸收从而进入到人眼或相机镜头中而形成的。而一部分更多的光是以与之相邻的方向离开物体或目标的。其中的一部分最终有被散射到人眼或相机镜头中，这部分光却对图象的形成无所贡献。根据海洋中辐射传递方程可证明，水中目标表观对比度随观察距离增加而指数衰减。我们可以对水下目标的辐亮度及背景辐亮度分别写出它们的辐射传递方程,两式相减得,对上式积分，可得,上式中,所以,这一关系称为对比度传输方程，式中 为光子流方向与天顶方向夹角；r为离目标的观察距离。由此可以看出，最终形成图象的光与散射光之比随距离的增加而迅速减小（增大的距离上的光均成为了背景光的一部分），距离足够远时，这一比值小于了人眼或相机的阈值，从而图象就不能被看到，只有散射的光束可以被辨别到。,沿水平方向=90，Cr随r的衰减与k无关，可表示为,二.水中对比度衰减长度,水下目标的可见度基本依赖于目标与探测器间、目标与照明光源间海水的散射特性。水下发光目标不能在任意远的距离上形成图象。为了说明或定性地表示出光辐射传输距离的有限长度，我们定义水中对比度衰减长度为当=0.367879时,即,称为对比度衰减长度(m)。清洁大洋水的对比度衰减长度约为20m左右；沿岸带水的对比度衰减长度约为5m左右；混浊水的对比度衰减长度仅为几厘米。,自身发光的物体在不发光的水体中可被辨别的有限距离约为1520个衰减长度，这主要依赖于水体散射与吸收之比。在白天，海水中一般的物体或目标可在36个衰减长度的距离上被看到，这依赖于目标的性质和观察者是向下、水平或向上观察。如果在相机附近水中有一发光的光源，而观察目标时又借助了这一光源，那么所能观察的有限的距离将更小。实际上，超出了3个衰减长度以外的肉眼观察或摄影，必须使得光从相机附近离开，或加以遮挡使其直接辐射光不能进入沿着视线的路径，或者在光源和相机上均使用起偏镜或起偏器。,衰减长度对自身发光的物体而言约为1520个，在被水下相机附近的发光光源照射的一般物体或目标情况下又会减少到36个衰减长度，这种衰减长度上的减少是由视线被照射路径上的水体回向散射所引起的。如果让光源不是临近相机而是靠近目标，减少的衰减长度大多又会得到弥补和恢复。通常这种情况下还应增长暴光时间，因为毕竟可观察的路径增加的情况下严重的海水吸收又使接收到的总的光能量减少。,小角度散射是发光目标的背景光增大的主要原因，而由于海水温度的起伏变化所引起的海水折射率的改变又是图象分辨率丢失的主要原因。然而尽管散射的起伏变化对回向散射是重要影响因素，但它对前向散射的影响是可以忽略的，因为前向散射主要由海水中含有的生物和粒子物质的种类和数量所决定。同样由于海水盐度的变化所引起的图象退化也可不必考虑。如果可以克服由于吸收而不是散射所引起的能量损失，那么在海水不含有生物和粒子物质散射源的情况下，海水可以说是一种优于大气的光传输介质。,三.海水体积衰减系数的目视测定,沿水平方向，对比度衰减为 exp-cr。若水中目标为一黑匣子，则 C0-1。沿水平方向恰观察不到黑匣子的距离。根据目视测得的re，可测得,一种叫做透明度盘的简单仪器可以作为测定水质透明度的简单方法，这种透明度盘是一个直径约为30 cm的白色的圆盘，测量时必须在完全有太阳照射的情况下进行。透明度盘从船上垂直沉入海水中，观察者从海表垂直地向下观察，通常用一个底部为透明玻璃的水桶罩在海水中以减少表面反射。当透明度盘恰恰沉到刚刚消失即人眼刚刚看不到的深度，称为透明度盘深度。这时它表示透明度盘在所测量海水中的表观对比度已下降到人眼的灵敏阈0.02，这与海水的衰减特性有关。,即,透明度盘固有对比度,为透明度盘的漫反射率，R为海洋水体漫反射率，Ed为向下辐照度。一般取为0.3，R一般为0.02，故,这一简单仪器尽管很简单，仅仅能够给出近似估算结果，但对海水浑浊程度的测量却很有用。,
