水的光學(xué)特性對(duì)水下光學(xué)成像質(zhì)量影響的分析

張 輝

（中船重工750試驗(yàn)場，云南昆明，650051）

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)。

1 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度表示。

1.1 水對(duì)光的吸收

光束在水中傳播時(shí)，水分子及水中各種顆粒、粒子等對(duì)光有著吸收作用，在這一作用中，水分子發(fā)揮著重要的作用，在不同的光譜區(qū)域水分子對(duì)光的吸收具有明顯的選擇性，純凈的水對(duì)光的吸收是光波長的復(fù)雜函數(shù)，對(duì)紫外線和紅外部分表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收，其峰值位于紅外波段，在可見光譜區(qū)段，吸收最大的是紅、黃和淡綠色光譜區(qū)。較為純凈的水和清潔的海洋水在光譜的藍(lán)綠光區(qū)域波長為462-475nm的藍(lán)光為吸收的最小值，衰減最少，但由于水對(duì)光吸收的寬帶效應(yīng)，即便是在存在著吸收最小值的區(qū)域水的吸收也可使光的強(qiáng)度以每米約4%的速度衰減，其他顏色的光衰減更多，通常在幾米之內(nèi)就完全消失。

1.2 水對(duì)光的散射

光束在水下傳播時(shí)水分子及水中各種顆粒、粒子等對(duì)光還有著嚴(yán)重的散射作用，這使得水下光學(xué)成像更加復(fù)雜。水中散射包括純水本身對(duì)光產(chǎn)生的散射和水中懸浮粒子引起的散射，主要有前向散射和后向散射，前者是光在水中傳播的過程中遇到水中懸浮粒子后發(fā)生的光向前的散射，后者是遇到懸浮粒子后發(fā)生的向后的散射。

水對(duì)光的吸收使光子在能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軙r(shí)消失，從而造成光束能量的衰減，但并不會(huì)影響到接受到的信息，不影響像的襯度。而發(fā)生散射時(shí)，被散射的光子并未消失而是改變了傳播路徑，多次散射中被散射到光束外后還可能再散射回直射光中，這增加了像的照度，但疊加入直射光中的散射光會(huì)湮沒直射光，降低像的襯度，使成像系統(tǒng)不能接受到有用的信息。同時(shí)水對(duì)光的散射還會(huì)隨著照明的增強(qiáng)而更加嚴(yán)重，使得通過增加直射光強(qiáng)度來提高水下成像距離的方法難以實(shí)現(xiàn)。

2 水的光學(xué)特性對(duì)水下光學(xué)成像質(zhì)量的影響

2.1 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)的物理過程作用下發(fā)生的，光子消失的過程稱為吸收，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。

單色平行光束光衰減可用朗伯定律表示，單色平行光束在某水層中傳輸L路程后的光強(qiáng)I可用下式一表示：

式中Io為某水層的光強(qiáng)，α為體積衰減系數(shù)，單位為m-1，表示光在水中傳輸1m后能量衰減的自然對(duì)數(shù)，包括吸收和散射兩個(gè)過程，以公式表示為：

式中a為吸收系數(shù)，b為衰減系數(shù)。水中光衰減是波長的復(fù)雜函數(shù)，在純凈的蒸餾水中可見光譜區(qū)域中的體積衰減系數(shù)α和衰減長度L的關(guān)系如下圖1所示。

圖1 蒸餾水中可見光譜區(qū)域中的體積衰減系數(shù)α和衰減長度L的關(guān)系

從上圖中可看出在480nm-500nm光譜區(qū)域內(nèi)水中光的衰減系數(shù)最小，據(jù)前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在此區(qū)域內(nèi)蒸餾水的衰減系數(shù)約為0.037 m-1，清潔的海水衰減系數(shù)約為0.05 m-1，此波段內(nèi)的光衰減比起其他光波段小得多，證實(shí)在海洋中存在著一個(gè)類似于“大氣窗口”的透明“水下窗口”，而根據(jù)這一物理現(xiàn)象，在開發(fā)研制水下成像系統(tǒng)時(shí)即可利用工作在藍(lán)綠光波段的系統(tǒng)研究出基于此物理原理下水下視覺的各種技術(shù)。

2.2 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，而超過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，因此在水下拍攝時(shí)，要進(jìn)行彩色攝影需使用光譜濾色鏡等進(jìn)行一些彩色校正措施，遠(yuǎn)距離拍攝時(shí)則通常采用黑白圖像。

2.3 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)于水分子來說，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λ的四次方成反比，以SR表示瑞利散射系數(shù)，而用公式可表為：

在波長為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0.037 m-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)大于波長時(shí)，近似考慮為散射截面與幾何截面相等，即Ks取1。

光在水中傳播的過程中，再被吸收消失之前可遇到很多的散射粒子，發(fā)生多次散射，多次散射總效應(yīng)的計(jì)算是復(fù)雜的過程，通常只能通過實(shí)驗(yàn)和定性的方法得出。光在水中傳播的過程中散射部分主要是由環(huán)境光散射和照明光散射組成的，而照明光的散射部分是導(dǎo)致圖像襯度變差的主要原因。

2.4 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。水下照明人工光源一般認(rèn)為是點(diǎn)光源，水下拍攝物體時(shí)，目標(biāo)所受到的光源照度It可用公式表示為：

式中l(wèi)為目標(biāo)距光源的距離，I為光源所照射方向上的強(qiáng)度，α為衰減系數(shù)，k為散射光衰竭系數(shù)。

根據(jù)（5）式分析，拍攝目標(biāo)受到的照度對(duì)拍攝目標(biāo)與點(diǎn)光源照明系統(tǒng)之間的距離最為敏感，在拍攝距離一定的情況下點(diǎn)光源距拍攝目標(biāo)距離是影響水下光學(xué)成像的主要因素。

3 結(jié)束語

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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