水下激光散射仪的研制

一、前言海洋光学发展至今已经成为一个范围广泛、具有巨大潜力的重要学科。光在水中的传输特性,始终是人们感兴趣的课题。散射和吸收是决定光在海水中传播的基本过程。海水对光的散射是比较复杂的,这是由于海水中悬浮粒子的大小范围很广,粒子的散射特性是与粒子的大小相对于光的波长之比有关,同时海水对光的散射还与粒子的性质和数量有关。此外,它们又随着时间而变化,并受制于水文要素。因此,必须对光散射作比较详细地研究,并对各海区的光散射特性作现场调查。海水光散射的测量对水下照相、水下电视、水下伪装、水下照明工程、水下捕捞、遥感沿岸水深和水色、海水表     

基于斯托克斯参量的水下主动偏振去散射研究

受浑浊水体自身吸收与微颗粒散射的影响,水下光学成像面临成像距离短、像质差等问题。一种基于斯托克斯参量的主动偏振成像模型被应用到水下成像去散射过程中,有效提升了目标成像探测的清晰度。相比于被动偏振成像模型,引入主动光源可以实现对入射光的偏振调制,由此可以充分挖掘目标反射光与介质光的偏振特征差异进而实现分离选通。改进的主动偏振去散射模型利用了目标反射光的偏振共模抑制效应,借助偏振斯托克斯参量 S₂ 分量实现了介质光偏振角与偏振度全局分布的准确估算。同时引入图像质量评价参数对比度 contrast 作为反馈参量,通过迭代计算实现背景噪声的最大化滤除。不同散射程度、不同类型目标的水下成像实验表明：相比于传统主动偏振成像方法,改进后的成像模型可大幅提升水下目标的图像质量,特别是强散射环境下的图像 contrast 提升超 2 倍以上。该项工作为利用偏振信息进行水下图像去散射与目标重建提供了新思路。     

胶州湾悬浮体的粒径分布与光的散射

散射和吸收是决定光在海水中传播的基本过程,散射是指由于个别光子的方向改变(无任何其它变化)而引起的任一随机过程,这一过程引起光分布的复杂变化.海水中的散射有二个截然不同的情况,即由水本身产生的散射和由悬浮体所引起的散射.海水应该看成是由具有吸收本领的、随机取向的、不规则粒子组成的复杂的色散系统.海水中悬浮体的粒径大小很不一致,而且其性质和浓度具有较大的可变性.散射研究中的重要因素是体积散射函数,它是用散射角度的函数来表示散射率的,     

海水小角度前向散射仪

测量海水对光的小角度前向散射对于准确测定海水对光的总散射系数及研究水下图像传输有重要意义。     

水下图像增强方法研究现状

光线在水下传播过程中,它的失真程度会随波长不同而发生改变。导致水下图像视觉质量下降的3个主要原因是吸收、散射和颜色失真。有关水下图像处理的研究在近十几年来得到了广泛的关注,取得了重要进展。文中着重讨论水下图像增强处理技术,探讨其中的典型算法和研究成果,对部分算法的测试结果进行定性和定量分析比较,最后总结水下图像增强技术研究现状,并展望了未来可能的发展方向。     

水下模糊图象维纳滤波和卡尔曼滤波恢复算法研究

该文将海水中图象传输特性的研究与用此传输特性进行水下模糊图象恢复结合起来 ,得到一套测量水体传递函数及进行水下图象处理的方法。采用维纳 (Wiener)滤波和卡尔曼 (Kalman)滤波算法 ,对模糊图象进了恢复。结果表明 ,利用计算机采用一定的算法对散射性质已知的水体造成的图象模糊可以进行有效的复原 ,且良好效果。     

温度或盐度对水下量子密钥分配影响的研究

水下量子密钥分配对保障水下通信安全具有十分重要的意义。本文研究不同温度或盐度的海水对光传输以及水下量子密钥分配的影响。本文在有限的范围内改变水槽中水的温度或盐度,在温盐均匀和有温盐差的海水信道中对出射光进行偏振测试,并进行了基于偏振编码的BB84协议水下量子密钥分配实验研究。研究表明:偏振光经过温盐均匀或有温盐差的模拟海水后其偏振态几乎不发生变化;在温盐均匀的海水中,温度或盐度的变化几乎不改变误码率,但在温盐不均匀的海水中,误码率随温盐差的增大呈增加趋势。     

全自动水下光散射仪的研制

海水对光的散射是比较复杂的,这是因为不仅海水本身对光产生散射,其中悬浮的粒子也引起散射。海水本身散射较有规律性,变化也不大,但各种粒子的散射规律复杂,且随粒子性质、大小、数量的不同而有很大变化。由于各海区的海水成分不同,所含有的悬浮粒子的组成、大小、浓度不同,并且随着时间而变化,因此海水对光的散射是随海区和时间而变化的。敌有必要对各海区的光散射特性作调查测量。     

海洋研究中的激光、遥感技术与海洋光学

海洋吸收了到达地球表面太阳幅射能量的约三分之二。太阳幅射加热了海洋,推动了海水的运动,影响着海洋与大气间的能量、质量交换。依赖太阳幅射进行光合作用的浮游藻类是海洋生产力的基础。光在海水中的传播、吸收、散射过程与水中的悬浮体和溶解物质有密切关系,也与海水的温盐度、流速等有关。海水的这些光学性质,表征出不同水团的某些固     

全自动水下光散射仪的研制

海水对光的散射是比较复杂的，这是因为不仅海水本身对光产生散射，其中悬浮的粒子也引起散射．海水本身散射较有规律性，变化也不大，但各种粒子的散射规律复杂，且随粒子性质、大小、数量的不同而有很大变化。由于各海区的海水成分不同，所含有的悬浮粒子的组成、大小、浓度不同．并且随着时间而变化，因此海水对光的散射是随海区和时间而变化的。故有必要对各海区的光散射特性作调查测量．     

夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

声信号的体积后向散射强度是声传播过程中一个关键的参数。海冰边缘区的声体积后向散射强度研究对深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。本文利用中国第六次北极科学考察获取的数据资料研究了海冰边缘区声体积后向散射强度特性。结果表明:加拿大海盆海冰边缘区是声体积后向散射强度的明显过渡区。无冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深层水的声体积后向散射强度明显大于密集海冰区域的海水(海冰密集度大于50%)。讨论了声体积后向散射强度与海冰融化之间的关系,造成融冰区声体积后向散射强度增大的原因是水下悬浮泥沙、浮游生物等悬浮物质增加。根据海冰密集海域的海水后向散射强度弱的特点,对北极下放式声学多普勒测流仪(LADCP)观测的设置提出建议。     

基于小波的水下图像后向散射噪声去除

介绍水下图像成像的特点,分析影响水下成像的主要因素:吸收和散射。在此基础上,采用小波的方法对水下图像进行去噪。首先对低频系数采用了LUM滤波器进行滤波,然后对高频系数采用了NeighShrink方法和对其改进后的ENS方法进行去噪。通过实验证实,该方法去除水下图像噪声具有较好的效果。     

海水透明度

海水的光学性质、水下光的传播和分布是与海水的物理性质、化学成份、海水中的悬浮物以及海洋的动力状态密切相关的,它对海洋生物学的研究,军事活动和水下工程等都具有重要的意义。在海洋光学中,海水透明度是描述海水光学性质的基本参数之一,它在水团分析、流系鉴别等方面具有一定的参考价值,特别在沿岸水质变化很大的情况下,透明度是识     

中肋骨条藻和东海原甲藻的散射特性

浮游藻类是海水中的重要组成成分,对其固有光学特性的研究有助于深入了解水体光学的辐射传输。在过去的30年中,大量的研究都集中在藻类吸收特性上,缺少对其散射特性的认识。本文利用分光光度计设计了在实验室中测量含颗粒水体散射和后向散射特性的方法,并利用标准球形颗粒对该方法的可行性进行验证,结果表明,在400~700 nm范围内,散射测量结果与理论值的一致性较好,最大误差小于3%,而后向散射测量结果在蓝紫光处的一致性较好,在近红外波段处有一定误差。运用这两种测量方法对东中国海常见的赤潮藻种中肋骨条藻Skeletonema costatum和东海原甲藻Prorocentrum donghaiense进行测量,结果显示:中肋骨条藻与东海原甲藻的散射系数幅值相近但谱形差异较大,前者随波长增加散射强度递减,后者则相反;在色素吸收较强的波段,两者散射强度均出现与其它波长位置变化趋势相反的情况,这主要是受细胞物质物理性质的影响。两者的后向散射差异较小,但可以看出其谱形受色素吸收的影响很大,在幅值上,东海原甲藻略高于中肋骨条藻,在550 nm处分别为0.001 74,0.001 43 m²/mg(以藻类叶绿素a浓度归一化),后向散射概率分别为1.104%和0.723%。     

深海海底的自动摄影

近几年来,水下摄影在研究海底的许多方法中开始占着重要地位。这种方法为海底表面地质学和生物学的研究开辟了广阔的前途。 水下摄影可以判断底栖动物区系的质和量的组成,以及它们的栖息条件。海底摄影测量也许是研究海底动物生存活动痕迹的唯一方法,这种痕迹在用取泥器和拖网获得的样品中照例是完全不会保留的。现代海底动物区系痕迹的研究,已经引起了地质学家的     

一种新型海洋环境长期连续监测系统及其防生物附着装置的设计

主要介绍了一种海洋环境连续监测系统的设计与实现。现有的水下监测仪器一般长时间放置在水下,不可避免地会遭受海洋生物附着和损坏,通常3个月到6个月左右需要清理或者更新一次。设计采用新型监测结构,将被测海水抽样到舱内进行相关参数的检测,检测完成后,将海水排回海中,舱内仪器采用消毒液和清水自动冲洗。通过这种方式,避免了海洋生物的附着和污染,检测仪器可以长期可靠地运行,减少了设备的维护次数,在海洋监测领域具有重要的意义。     

水下光通信技术的研究与展望

水下光通信(Underwater Optical Wireless Communication,UOWC)是一种新型的水下通信技术, 具有保密性好、可靠性高等优点,对于构建全光立体通信网络以及 6G 空天海地一体化全方位通信有重要的意义。分析了水下光通信相较于其他传统水下通信方式的优点,对水下光通信发展历程与进展进行了综述,对比了水下光通信 2 种主流光源：激光光源和 LED 光源。针对现阶段水下光通信面临的难题,提出了一种完善的水下光通信系统框图,并研制出相应的硬件系统,完成了水下通信调试。水下光通信是一种切实可行的新型通信方式,兼具灵活、保密、高速率等特点,在未来的 6G 时代中将会得到进一步的发展和应用。     

基于等相位体概念的水下激光背向散射强度的估算方法

详细讨论了海水作为激光传输信道的基本特点,在此基础上提出了等相位体的概念,分析了等相位体的形状,并且研究了等相位体背向散射强度的估算方法,为利用伪随机序列进行水下测量或通讯获得的资料估算散射强度提供一种方法.     

浅海水下地形的SAR遥感仿真研究

结合连续性方程和布拉格后向散射模型,在准一维简化浅海水下地形情况下,建立了浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度仿真模型,将浅海水下地形区域的SAR海面后向散射强度的相对变化与大尺度背景流场、海面风场和雷达系统参数等联系起来.海上实验和研究结果表明,浅海水下地形的SAR成像主要由通过受水下地形影响的海表层流场对海表面风引起的微尺度波的水动力调制而获取浅海水下地形信息,其中潮流与水下地形的相互作用过程改变海表层流场,变化的海表层流与海表面微尺度波之间的相互作用改变海表面波的空间分布,雷达波与海表面波之间的相互作用决定雷达海面后向散射强度.因此SAR图像中浅海水下地形或水深信息量的多少不仅与海表层流场和海面风速有关,而且与雷达工作波段、雷达波束入射角和极化方式也密切相关.认为由水下地形变化引起的缓慢变化的表层流场中海表面定常微尺度波谱能量密度的变化满足波作用量谱平衡方程;而在波数空间中,海表面微尺度波谱的成长过程也可以用波数谱平衡方程描述,在此基础上,得出了海表面波高频谱(毛细-重力波)形式的解析表达式.众所周知,浅海水下地形信息是由于水下地形影响下SAR海面后向散射强度与背景海面后向散射强度的相对差异而在SAR图像上的呈现,从而在建立浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度仿真模型的基础上,仿真计算了浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度相对于海表层流场、海面风场等海况参数和SAR工作波段、SAR波束入射角、极化方式等雷达系统参数的数值仿真结果,分析得到了有关浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度的特征和SAR浅海水下地形遥感的最佳海况参数与最佳雷达系统参数,为研究和开展SAR浅海水下地形遥感研究提供了有价值的参考.     

风生海中气泡对海洋光学反射比的影响

风浪破碎是海中气泡的主要成因.先前的研究基于理论计算和数值模拟,揭示了海中气泡对光散射和海水反射比有不可忽略的影响.利用海洋光学和海面风速现场观测数据,结合Mie散射理论计算和海中光辐射传递数值模拟,研究风浪破碎产生的海中气泡对海水反射比的影响.现场观测和数值模拟结果表明,在光学性质稳定的I类海水中,不同风速下海洋光学反射比的不同主要源于海中气泡的贡献.