水的光學(xué)特性及其對(duì)水下成像分析

徐凱

摘 要：水的光學(xué)特性對(duì)光學(xué)成像質(zhì)量有著重要的影響，水對(duì)光的吸收、散射作用可造成光在水介質(zhì)傳播中的衰減，本文就水的光學(xué)特性及其對(duì)水下光學(xué)成像質(zhì)量的影響進(jìn)行了分析，以為成像系統(tǒng)在水下的應(yīng)用提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水；光學(xué)特性；水下成像

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）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，水下成像的畫面反差隨之降低，細(xì)節(jié)畫面也會(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)λ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下拍攝物體的顏色隨著其所處深度的增加而發(fā)生變化，水對(duì)光的散射可降低像的襯度，使成像系統(tǒng)不能接受到有用的信息。在設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)得到水的光學(xué)特性對(duì)水下光學(xué)成像的影響，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的針對(duì)性，從而提高水下成像系統(tǒng)整體性能。

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