海洋光学技术

海洋研究和开发中应用的光学技术

海洋光学技术主要指在海洋研究和开发中应用的光学遥感、激光、光学信息理论和实验方法等光学技术。它是20世纪70年代以后发展起来的海洋光学新领域。

光学探测海洋

用各种遥感方法获得并提取光波所携带的海洋信息。主要采用多光谱遥感技术：用多光谱传感器接收海面向上光谱辐射和海面热辐射，然后根据海洋－大气系统辐射传递模式进行数据和图象处理，得出海洋的环境参数。

海洋辐射传递的光谱特征是多光谱遥感探测海洋的基础。多光谱传感器参数的确定，依赖于海洋光谱辐射研究。海洋的向上辐亮度，只有陆地的0.1～0.05倍,且动态范围很小。确定海洋环境参数所要求的光谱带宽为10nm,而陆地遥感所要求的光谱带宽,一般要增大10倍以上。因此，用来探测海洋和海岸带的多光谱传感器具有较窄的光谱带宽。为了获得较大的接收能量，传感器具有较大的瞬时视场角。例如，海岸带海色扫描仪(CZCS)的可见光波段的光谱带宽为20nm，瞬时视场角为 0.05°，相应的地面分辨率约为800m。自20世纪70年代末以后发展起来的陆地-D卫星（美国）、斯包特卫星(法国)、地球资源卫星 1号（欧洲空间局）、气象海洋卫星(日本)、流星Ⅱ型卫星（苏联），在光谱选择、地面分辨率、遥感器配置等总体设计中，都尽可能地兼顾了陆地和海洋的光谱辐射特征。海洋卫星的主要遥感手段，虽然是各种微波传感器，但是对于提供完整的海洋数据信息而言，光学遥感依然是不可缺少的有效手段。

激光探测海洋

20世纪60～70年代，激光探测海洋主要集中于水中激光电视研究。为了消除海水后向散射光而延长观察距离，提出了同步空间几何分离法和距离选通法。前者具有视场大的优点,观察距离可达6～10衰减长度（见海洋光学性质）。后者用脉冲激光，观察距离可达20个衰减长度左右，但视场角较小，且在近距离有盲区。水中激光电视主要限于近距离水中观察，尚难满足探测军事目标（如潜艇）的要求。70年代以后，随着脉冲大功率激光和波长可调的可调谐激光的发展，激光探测海洋的研究集中于海洋激光雷达,主要有3个方面：①脉冲激光测距，仪器装置在飞机上，测定超短脉冲激光的往返时间，可获得海面波高和浅海水深数据。探测深度一般可达 8～10个衰减长度。若利用前向散射，探测深度约可达50个衰减长度。②海水激光拉曼光谱雷达。随着海洋水体温度的升高，海水的单分子数目增加，致使海水的激光拉曼光谱产生红移（见图）。这是航空遥感探测海洋温度剖面的唯一有效方法。当脉冲激光功率为1MW时，可测温度剖面为4个衰减长度，可测海水温度差为 0.5°C。利用激光拉曼光谱方法，还可测定海水的盐度和密度。③海水激光荧光光谱雷达。机载激光荧光雷达是遥感方法探测海水化学成分的有效手段。它实质上是一种远距的激光荧光光谱分析仪。例如：叶绿素的激发波长为590nm,受激荧光波长为680nm,油膜的激发波长为430nm,受激荧光波长为530nm。美国国家航空与航天局 (NASA)于1973～1977年执行的激光雷达计划，旨在发展综合激光测距、激光拉曼光谱、激光荧光光谱等方法的海洋激光雷达系统，可探测海水的深度、温度、叶绿素和泥沙含量、污染等。

与海洋研究

近代光学的重要特点之一是关于光信息的研究。激光的水中传输和水中图象的传输，实质上是通过海水介质的光信息的传输过程。70年代，不少研究者应用线性系统理论来讨论水中激光或图象的传输。把考虑传输过程的海水介质视为一个线性系统，则系统的性能完全由系统的脉冲响应即点扩展函数来确定（见水中能见度）。若已知海水介质的点扩展函数或脉冲响应，则水中图象或激光传输结果为输入图象或激光束分布与海水介质点扩展函数的卷积。海水介质的点扩展函数的傅里叶变换，称为海水介质的光学传递函数，它表征海水介质线性系统的频谱响应。水下图象系统或激光雷达系统的传输性能，由接收系统、发射系统和海水介质的光学传递函数的乘积所决定。近代光学的信息传递理论和实验方法，还可应用于海洋光学辐射传递理论研究和海洋光学基本参数的测量。另外，光电子技术是近代应用光学中的活跃分支，它在海洋研究中有广泛的应用，涉及了遥感遥测技术、激光技术、光信息处理方法等。

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