水中能见度

光学术语

水中视程。能见度是从大气光学借用来的术语。水中能见度比大气中的能见度低得多。海水中的水平视程通常为大气中视程的千分之一左右，主要原因是光在海水中的衰减和散射比在大气中强烈得多。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。

简介

对比度　若目标的辐亮度为L0，背景辐亮度为Lb0,则目标相对于背景的固有对比度c0为理想黑物体

（L0=0）的固有对比度为-1,在理想背景(Lb0=0)条件下,任何目标的固有对比度都为∞;对实际的目标和背景而言，固有对比度介于-1和∞之间。在观察距离为r处所测得的对比度，称为表现对比度。

水中表现对比度cr与固有对比度c0的比值随r 的变化，称为水中对比度的传输，它反映了图像在水中的传输问题。对比度传输的理论研究，目的在于从海洋辐射传递方程推导出水中对比度传输方程;而在实验研究方面,则是在典型水域或水槽中进行实测，以确定对比度传输的规律。

原理

历史发展

早在1948年，美国斯克里普斯海洋研究所能见度实验室用玻璃底壳船在海上进行了观测实验。当垂直向下观察时，发现cr与c0之比随着观察距离r 的增加而按指数律衰减，可表示为Cr=C0exp(－0.810r)。式中0.810为海水的对比度衰减系数。实验测得的海水线性衰减系数μ为0.594，辐照度衰减系数k 为0.216。μ与k之和恰等于对比度衰减系数。因此，Cr=C0exp[－(μ+k)r]。当观察方向偏离垂直方向时，实验还发现Cr=C0exp[－（μ+kcosθ）r]，式中 θ为观察方向与天顶方向之间的夹角，这就是对比度传输和海洋光学参数的经验关系。

自海洋辐射传递方程出发，假定光在均匀水体中传播的条件下，从理论上也证明了这个关系式。根据对比度传输规律，当表现对比度下降 1/e时,观察距离l=1/(μ+kcosθ)，称l为对比度衰减长度。清洁的海水的对比度衰减长度可达20米左右，海岸带水体的对比度衰减长度约为5米,混浊水体的对比度衰减长度有时只有几厘米。人眼所能观察到的对比度的下限为0.02，黑色目标在自然光照条件下的水平观察视程为 4个衰减长度，而大多数目标的视程为黑色目标视程的 7/8。在夜晚无自然光照条件下，自身发光的目标的视程，在理论上可达无穷大，但实际上只能达到15～20个衰减长度。

图像在水中的传输

海洋光学中用海水的光学传递函数 (OTF)来表征图像通过海水后的模糊程度。若目标为理想点源s(x，у)，通过海洋水体传输后,在理想成像系统所成的像为h(θ,r),则h(θ，r)称为海洋水体的点扩展函数，h(θ，r)的傅里叶变换H (ψ，r)则定义为海洋水体的光学传递函数,其中ψ为图像的空间角频率单位为周/弧度(c/rad),光学传递函数的模|H (ψ)，r)|称为调制传递函数(MTF)。显然,海水的散射越强,h(θ,r)的有效半径越大，图像分辨率的损失越大，从而使图像的高频成分或图像的细微结构发生模糊。海水的点扩展函数或海水的光学传递函数，都是衡量水中图像传输质量的最佳的客观标准。光学传递函数随着距离r 的增加而按指数率衰减，一般表示为 H(ψ,r)=exp[－D(ψ)·r]·D(ψ)

为空间角频率衰减函数,其值随ψ的增大而增大。点扩展函数为H(ψ)，r)的傅里叶变换。显然，测定通过路径r的海水小角度光散射，即可测得 h(θ，r)，由此可推出海洋水体的光学传递函数H(ψ，r)。还有一种用光学传递函数仪测定H(ψ,r)的方法,其原理是用空间频率调制模板来接收空间频率信号，以确定通过水中路径之后图像空间角频率的衰减程度。图为测得的典型的沿岸清洁海水的空间角频率衰减函数D(ψ)。由图可见，高频的衰减长度为7米,而低频的衰减长度为30米。

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