知识窗▏海洋光学及其在我国的发展

海洋

光学是研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律和运用光学技术探测海洋的科学。它是海洋物理学的分支学科，又是光学的分支学科。光电子学方法是海洋光学测量的主要手段，基础研究中包括实验和理论两方面。实验方面主要运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。

一、海洋光学的研究内容

⒈海面光辐射研究：主要研究日光射入海洋后，经过辐射传递过程所产生的、由海洋表层向上的光谱辐射场，是建立光学海洋遥感模型的重要依据。

⒉水中能见度：主要研究水中的视程和图象在水中的传输问题。

⒊激光与海水的相互作用：主要研究激光在水中受到的散射、吸收及其所遵循的传输过程。

⒋海洋水体的光学传递函数：用线性系统理论研究海洋水体对光的散射和吸收的过程。主要研究海水点扩展函数、海水光学传递函数与海水固有光学参数的关系。它是建立海洋激光雷达方程和水中图象系统质量分析的重要依据。

二、海洋光学的研究课题

⒈基础理论方面：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。

⒉实验技术方面：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。

三、海洋光学仪器

测量海洋光学性质的仪器。它可分成两类：

⒈测量海水固有光学性质的仪器：因为固有光学性质不受环境条件的影响，可采样在实验室中测量，也可在现场测量，故这类仪器又分为实验室仪器和现场测量仪器两种。测定固有光学性质的仪器主要包括线性衰减系数测定仪（和准直光透射率仪）、测定体积散射函数的β仪、测定总散射系数的b仪。其中的β仪和b仪，都称为水中光散射仪。 线性衰减系数测定仪测定准直光束在海水中衰减的仪器。从光源发出的光，经准直发射系统后成为准直光束，此光束在海水中经过光程r时受到衰减,然后被光电系统接收。测出透射率Tr，可根据确定海水的线性衰减系数μ。终端显示出μ值的仪器称为线性衰减系数测定仪，显示Tr的称为准直光透射率仪。

⒉测量海水表观光学性质的仪器：因为表观性质都与环境有密切的关系，故必须在现场观测。测定表观光学性质的仪器主要包括辐照仪、辐亮度仪和辐亮度偏振仪。辐亮度仪和辐亮度偏振仪主要用于海洋光学基础研究的测量。辐亮度仪用于测量各个方向的表观辐亮度。其接收系统是准直接收的光度计，限定接收很小的视场角（约10～10）的辐亮度。光度计在机械控制下沿不同方位角和俯仰角旋转,可接收海水空间4π立体角的各个方向的辐亮度。为了研究海中表观辐亮度的偏振分布，在辐亮度仪的准直接收系统之前安装有检偏器，后者可自动绕准直系统的光轴旋转，以接收不同偏振方向的辐亮度。这种仪器即为辐亮度偏振仪。

海洋光学的测量仪器很多，除上述基本仪器外，还有量子辐照度仪和光学传递函数仪等。

四、海洋光学研究的必要性

对大多数人而言，“水下光学”或“海洋光学”，还是一个比较陌生的概念。但对拥有300万平方公里内水和领海的中国而言，看清海面之下的地貌、物产、过程等信息，是关乎国防安全、资源管理和经济民生的重要命题。

人对外界事物的认知，有80%～90%都来自于视觉。但海水本身具备的高吸收、强散射等特点，给“看海”带来了很大的障碍。即便是在海水中吸收损耗最小的蓝绿色光，在海水中传播也不过十几到几十米，这在应用上远远不够。潜艇活动和对潜通讯，需要直观的光学图像；水产养殖行业需要水下观测系统来辅助管理；对水下光的合理利用，能帮助实现水产的增产和疾病防护；再加上水生生物光合作用研究、海洋资源的探索，等等，水下光学的应用渗透进军事、民生、科研等方方面面。

从国际整体来看，水下光学特别是海洋光学的应用，都不是太理想。各个国家都在加紧这方面的研究。然而，出于种种原因，我们国家在这一领域的发展程度还远远不够。市场上，大约90%的水下光学设备都来自国外。即便在研究更为深入的国家，这一学科的发展也受到海水散射、吸收性质的强烈制约。

五、我国海洋光学领域的发展

说起西安光机所和“水下光学”的缘分，从1988年就开始了。时任西安光机所所长的侯洵，看到水下光学这一领域的研究前景，是从研发“水下机器人”所需的水下光测系统开始的，他们的“水下光学项目组”开始所研制的就是“深潜1000米水下照相机”。这期间水下光学项目组先后开展了水下高速微光电视、光学水听器等方面的研究工作，为水下光学这一学科的拓展和延伸，作出了很重要的贡献。

然而，在那个年代，国家和学界对水下光学研究的重视程度普遍不足。与空间光学等领域相比，水下光学的研究步伐要缓慢很多。如今，20多年过去了，国家对海洋的重视、对水下光学研究的认识都有了长足的发展。青岛海洋国家实验室就是一个很好的平台，可以借助这个平台，把海洋光学取得的技术基础更好地用在国家相关海洋探测中。

现在，光谱成像重点实验室主任胡炳樑和他的团队，将开展海洋火山爆发的特性、海水纵深剖面的水质特点、海下地形地貌等领域的研究。胡炳樑主任认为：如果发展光谱成像技术，利用珊瑚、礁石等产生的特殊谱信息，就能对地形地貌及其属性进行详细判断，这在测绘史上将是跨越式的发展。

当然，海洋光学的研究范畴还包括水质监测仪、水下可视化捕鱼器、海底观测摄像机等。此外，水下光谱学还能应用在虾种的选择、鱼病的检测、养殖密度和集群密度等参数的获取上，有望促成智能化的水产养殖业。随着青岛海洋国家实验室的成立，利用实验室已有的密封、高低温等设备，将大大降低工程化开发的难度。

目前国家倡导的“中国制造2025”将进一步促进传统产业“智能化”转型升级，其中物联网及大规模传感网的建立将为海洋光学带来新的机遇，我国的海洋光学未来发展值得期待，可以为海洋高端智能装备的发展带来新的机遇。

■本文依据 《中国科学报》和百度百科内容综合编写

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