水的光學(xué)特性及其對(duì)水下成像分析

1、水的光學(xué)特性及其對(duì)水下成像分析水下光學(xué)成像技術(shù)是當(dāng)前探索水下奧秘的基本方法之一，在 生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、港口工程等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)有重要的意義，但由于 水本身的性質(zhì)，其作為介質(zhì)時(shí)的光學(xué)性質(zhì)與空氣有所不同，光線 在水下傳播時(shí)水體對(duì)光線的吸收和后向散射會(huì)造成很大的圖像 噪聲，降低圖像質(zhì)量，加之傳輸距離有限，一般的成像系統(tǒng)在水 中使用時(shí)像差會(huì)發(fā)生變化，色差和畸變明顯增大，成像質(zhì)量差， 圖像清晰度低，因此有必要對(duì)水的光學(xué)特性及其對(duì)水下光學(xué)成像 質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，以為適用于水下環(huán)境的特殊成像系統(tǒng)的研 制提供理論基礎(chǔ)。一、水的光學(xué)特性光在水介質(zhì)和空氣介質(zhì)中的傳輸有著較大的差異，介質(zhì)的密 度對(duì)光的吸收和散射有著很大

2、的影響，空氣的密度小因而對(duì)光的 吸收和散射也相對(duì)較小，水的密度為空氣的800多倍，對(duì)可見(jiàn)光 有著嚴(yán)重的吸收和散射作用。水對(duì)光波的散射和吸收可造成光在 水中的衰減，即使是在最純凈的水中，水對(duì)光也有著嚴(yán)重的衰減， 且是按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，水介質(zhì)對(duì)光的衰減特性通常是使用衰 減長(zhǎng)度表示。（一）水對(duì)光的選擇吸收特性水對(duì)光的吸收在不同的光譜區(qū)域是不同的，具有明顯的選擇 性。水對(duì)光譜中的紫外和紅外部分表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收，在可見(jiàn)光 譜區(qū)段，吸收最大的分別是紅色、黃色和淡綠光譜區(qū)域。純凈水 和清的大洋水在光譜的藍(lán)-綠區(qū)域透射比量大，其中波長(zhǎng)為462- 475nm的藍(lán)光衰減最少。但在這個(gè)藍(lán)-綠窗口，水的吸收也足以

3、使光的強(qiáng)度每米衰減約百分之四。其它顏色的光被吸收得更多， 幾米之外幾乎完全消失了。（二）水對(duì)光的散射特性如果水下僅存在對(duì)光能量的吸收，可以通過(guò)加大照明光源功 率來(lái)提高水下成像距離，但水對(duì)光的散射現(xiàn)象隨著照明的增強(qiáng)更 趨嚴(yán)重，使水下成像更為困難。水中光散射是指光在水中傳播時(shí)， 受到介質(zhì)微粒的作用，偏離原來(lái)直線傳播的方向。水中散射有兩 種，即純水本身產(chǎn)生的散射和由懸浮粒子所引起的散射。散射方 式主要有前向散射和后向散射。比入射光波長(zhǎng)小很多的無(wú)吸收粒 子的散射遵從瑞利定律，散射粒子的大小接近于入射光的波長(zhǎng)時(shí)， 存在著一個(gè)比較復(fù)雜的共振狀態(tài)，稱(chēng)為米氏散射。二、水的光學(xué)特性對(duì)水下光學(xué)成像質(zhì)量的影響（一）

4、水中光衰減對(duì)光學(xué)成像的影響光在水中的衰減是在吸收和散射這兩個(gè)不相關(guān)的物理過(guò)程 作用下發(fā)生的，光子消失的過(guò)程稱(chēng)為吸收，被吸收的光子轉(zhuǎn)化為 熱能從光束中被吸收，光子前進(jìn)方向發(fā)生變化稱(chēng)為散射，除散射 粒子外，水折射率的微小變化也可能引起光的散射，被散射的光 子不同于被吸收的光子，其并未消失且有可能再次疊加入光束中， 通常水對(duì)光的散射引起的光衰減多于水對(duì)光的吸收引起的光衰 減，在清澈透明的水中，水中光衰減有60%是由散射引起，40%為 吸收引起，而在渾濁的水中，由于懸浮粒子的增加，水對(duì)光散射 增強(qiáng)，由散射引起的光衰減還會(huì)增加。（二）水中光的吸收特性對(duì)光學(xué)成像的影響水分子是極化分子，在紫外和紅外譜帶上有

5、著強(qiáng)烈的由電子 激發(fā)的紫外共振和由分子激發(fā)的紅外共振，因此對(duì)此區(qū)域吸收強(qiáng) 烈，尤其是對(duì)紅外的吸收十分強(qiáng)烈。水對(duì)光吸收寬帶效應(yīng)使得光 在水中傳播時(shí)雖然不存在光在空氣傳播中存在的“窗口 ”，但在藍(lán) 綠區(qū)域水對(duì)光的吸收達(dá)到最小值，習(xí)慣上將此區(qū)域認(rèn)為是光在水 中傳播時(shí)的“窗口 ”。光束在水中傳播時(shí)，水對(duì)光的選擇性吸收，使得白光照射下， 隨著拍攝物體所處深度的增加其顏色也會(huì)發(fā)生變化，通常在水下 1-2m內(nèi)近距離拍攝時(shí)，物體的顏色基本可以較好地反映出來(lái)， 而超過(guò)2m后被拍攝物體的顏色就會(huì)發(fā)生變化，一般在水下6m 時(shí)紅色就會(huì)基本消失，在水下20m時(shí)黃色會(huì)消失，同時(shí)紅色會(huì) 變成黑色，在30m時(shí)物體基本完全變成

6、藍(lán)色或者藍(lán)綠色。（三）水中光的散射特性對(duì)光學(xué)成像的影響水對(duì)光的散射可對(duì)成像距離增加困難，使圖像對(duì)比度下降， 隨著成像距離的增大，水下成像的畫(huà)面反差隨之降低，細(xì)節(jié)畫(huà)面 也會(huì)隨距離增加而更模糊。水對(duì)光的散射系數(shù)與散射粒子的大小相關(guān)，水中散射粒子的 大小分布是不一致的，水分子、可溶性物質(zhì)、懸浮的無(wú)機(jī)顆粒、 微生物等可對(duì)光產(chǎn)生散射作用的粒子大小從零點(diǎn)幾納米到幾毫 米不等，對(duì)于水分子來(lái)說(shuō)，其對(duì)光的散射遵循瑞利散射規(guī)律，即 是散射光強(qiáng)B與入射波長(zhǎng)入的四次方成反比。在波長(zhǎng)為480nm時(shí)，水分子引起的瑞利散射衰減系數(shù)約為 0.004m-1，而純凈的蒸餾水光束的有效衰竭系數(shù)約為0.037m-1， 可知水分子的瑞

7、利散射衰減只是水中光衰減中的一小部分。水中對(duì)光束可產(chǎn)生散射作用的散射粒子直徑與入射光波長(zhǎng) 接近時(shí)，散射粒子對(duì)光的散射存在著一個(gè)復(fù)雜的共振狀態(tài)，此時(shí) 散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)幾乎沒(méi)有關(guān)系，而遵循米氏散射定律，其衰減系 數(shù)SM以公式可表示為：式中R表示散射粒子半徑，N為每立方米水體中的離子數(shù)， Ks為實(shí)際散射截面與幾何截面的比值，當(dāng)散射粒子的尺度遠(yuǎn)大 于波長(zhǎng)時(shí)，近似考慮為散射截面與幾何截面相等，即Ks取1。（四）水中照明對(duì)光學(xué)成像的影響水中照明有自然光源和人工光源，自然光源在水中傳播時(shí)， 隨著深度增加更為分散直至趨于只與天頂角相關(guān)的漸進(jìn)分布，在 淺層水?dāng)z影中，若天氣為晴朗的白天，則自然光所提供的照明已 足夠進(jìn)行水下拍攝，而在深層水拍攝或夜晚攝影時(shí)，水下的光照 度很低，水下使用成像系統(tǒng)時(shí)絕大多數(shù)情況下需要照明系統(tǒng)，因 此有必要將水下照明對(duì)光學(xué)成像的影響進(jìn)行考慮。三、結(jié)語(yǔ)水對(duì)光波有著吸收和散射作用，可造成光在水中的衰減，水 對(duì)光的選擇性吸收可使水