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水下光学与成像 版权信息
- ISBN：9787030709578
- 条形码：9787030709578 ; 978-7-03-070957-8
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
水下光学与成像 内容简介
该书分为三部分。**部分主要介绍了水下光学和成像技术，以及海洋光学和色彩分析的发展。第二部分综述了水下光学在环境分析中的应用。介绍了水下光场的概念，概述了水体中有色可溶性有机物和其他营养物质的评估方法，讨论了海底生物发光特性和有害藻华等对水体的影响。*后总结了用于研究海洋环境中悬浮沉积物和水体湍流特性的光学技术。第三部分回顾了水下光学系统集成技术。讲述了用于成像和可视化的影像和视频技术，介绍了数字全息、激光线扫描和距离选通成像等优选技术，以及它们在海洋观测平台和全球海洋立体观测网中的应用。本节还概述了拉曼光谱、高光谱成像、激光多普勒测速(LDA)、粒子图像测速(PIV)、光纤传感和激光雷达等技术。*后，以水下荧光技术一章结束全书。
水下光学与成像 目录
目录
第1章 水下光学简介 1
1.1 水体中的光 1
1.2 海洋光学基础 1
1.3 天然水体的光学性质 5
1.4 水体的光学分类 7
1.5 小结 8
1.6 更多资料来源和建议 9
参考文献 10
第2章 水下成像与视觉简介 12
2.1 引言 12
2.2 水下成像和视觉史节选 13
2.3 水下光学成像 15
2.4 视距扩展成像系统 17
2.5 浮游生物成像和剖面系统 19
2.6 混合系统 20
2.7 小结 21
2.8 更多资料来源和建议 22
参考文献 22
第3章 水下光学史 26
3.1 引言 26
3.2 探索天然水体的神秘色彩 27
3.3 蓝色反射和绿色透射 32
3.4 卡普里蓝洞的原理 36
3.5 历史上的实验室设备 39
3.5.1 本生筒（1847） 39
3.5.2 贝兹镜盒（1862） 40
3.5.3 索雷特玻璃筒（1869） 41
3.5.4 凯瑟管（1873） 41
3.5.5 普鲁士蓝、白粉末（1882） 41
3.5.6 艾特肯管（1880） 42
3.5.7 博厄斯水荧光测定管（1880） 42
3.5.8 博厄斯管测定水的透射光颜色（1880） 43
3.5.9 博厄斯吸收实验（1881） 43
3.6 历史上的现场测量设备 44
3.6.1 阿拉戈棱镜 45
3.6.2 贝茨金属管（1862） 45
3.6.3 博厄斯管（1880） 46
3.6.4 索雷特伸缩管（1869） 46
3.6.5 艾特肯金属管（1880） 47
3.7 海色比较仪 49
3.7.1 Forel-Ule水色计（1892） 49
3.7.2 洛伦兹矿物色标（1898） 50
3.7.3 雷德国际色标（1898） 51
3.8 小结 51
3.9 记录与思考 52
参考文献 53
第4章 水下光场的高光谱测量 57
4.1 高光谱与多光谱的辐射测量 57
4.2 辐射度量学的基本原理 58
4.3 传感器设计和光收集器几何结构 59
4.4 光谱分辨率、噪声水平和时间响应 61
4.5 辐射计的校正和部署 62
4.6 天然水体的高光谱特征 62
4.7 光谱转换过程的重要性 64
4.8 小结 65
参考文献 65
第5章 海水中的有色可溶性有机物 69
5.1 引言 69
5.1.1 有色可溶性有机物简介 69
5.1.2 有色可溶性有机物的重要性 70
5.2 有色可溶性有机物的光学特性 71
5.2.1 吸光度 71
5.2.2 荧光 72
5.3 有色可溶性有机物的测量 74
5.3.1 采样污染和仪器校准 74
5.3.2 有色可溶性有机物分析仪器 75
5.3.3 数据分析与处理 76
5.4 有色可溶性有机物测量在海洋中的应用 76
5.4.1 有色可溶性有机物在海洋中的分布 77
5.4.2 人为产生的有色可溶性有机物 77
5.4.3 有关有色可溶性有机物组成的*新成果 78
5.4.4 水文和生物地球化学过程对全球海洋有色可溶性有机物的控制 79
5.4.5 有色可溶性有机物与沿海生物地球化学动力学 80
5.5 小结 80
5.6 更多资料来源和建议 81
参考文献 81
第6章 海水营养物质的光学评估 88
6.1 引言 88
6.2 直接光学测量 89
6.2.1 水中硝酸盐和亚硝酸盐的吸光度 89
6.2.2 其他成分的吸光度 89
6.2.3 水中的吸光度测量 91
6.2.4 仪器设计的注意事项 93
6.2.5 商业仪器 94
6.2.6 未来的发展 94
6.3 间接光学测量 95
6.3.1 比色法 95
6.3.2 荧光法 96
6.3.3 原位测量的注意事项 96
6.4 小结 96
参考文献 97
第7章 海洋中的生物发光 98
7.1 引言 98
7.1.1 生物发光的多样性 99
7.1.2 生物发光的功能作用 101
7.1.3 海洋生物发光中的昼夜节律变化 101
7.2 海洋中生物发光的测量 103
7.2.1 开放和封闭系统 103
7.2.2 成像方法 107
7.2.3 海洋中生物发光的分布 108
7.3 生物发光在海洋内外的传播 109
7.3.1 案例1：辐射传输建模 110
7.3.2 案例2：经验点源建模 112
7.3.3 生态建模 116
7.4 小结 118
7.5 致谢 119
参考文献 119
第8章 有害藻华的光学评估 127
8.1 引言 127
8.2 用于生物光学评估的藻类特征 131
8.3 藻华监测的尺度和分辨率 136
8.3.1 遥感 136
8.3.2 原位海洋传感 144
8.4 生物光学传感器技术的新进展 147
8.5 业务化海洋学观测 148
参考文献 151
第9章 海洋环境中的悬浮沉积物 164
9.1 引言 164
9.2 海水中颗粒物的质量、密度以及沉降速度 166
9.3 粒度分布 167
9.4 颗粒物与湍流 170
9.5 颗粒物的光散射 173
9.6 颗粒物对光的吸收 175
9.7 直接传感与遥感 177
9.8 小结 180
9.9 更多资料来源和建议 181
参考文献 181
第10章 水下成像的几何光学方法和成像策略 185
10.1 引言 185
10.2 光学成像原理 185
10.2.1 近轴光学 186
10.2.2 近轴光学示意图 187
10.2.3 物空间与像空间 187
10.2.4 透镜 187
10.2.5 复合透镜系统 188
10.3 成像光学 189
10.3.1 成像公式 189
10.3.2 放大率 190
10.3.3 光束限制 192
10.3.4 景深 193
10.4 像差与分辨率 199
10.4.1 色差 199
10.4.2 球差 200
10.4.3 畸变 200
10.4.4 彗差 200
10.4.5 像散 200
10.4.6 场曲 201
10.4.7 像差的整体影响 201
10.4.8 调制传递函数 201
10.5 传感器 202
10.5.1 传感器类型和尺寸 202
10.5.2 曝光时间 202
10.5.3 噪声 203
10.5.4 曝光补偿 203
10.6 照明 203
10.6.1 照明区域限制 204
10.6.2 光源 205
10.7 数据和通信 205
10.7.1 容量评估 205
10.7.2 数据存储 206
10.7.3 遥测和能源供给 206
10.8 小结 206
10.9 致谢 207
参考文献 207
第11章 水下成像：摄影、数字和视频技术 209
11.1 引言 209
11.2 常规成像 211
11.2.1 图像构成和数字摄影 211
11.2.2 相机硬件 213
11.3 照明 214
11.4 未来趋势 216
11.4.1 计算摄影 216
11.4.2 计算成像和计算相机 217
11.4.3 计算图像传感器 219
11.4.4 其他新趋势 219
参考文献 221
第12章 水下全息成像和全息相机 226
12.1 引言 226
12.2 全息成像的概念 227
12.2.1 全息记录和重现 227
12.2.2 同轴全息 228
12.2.3 同轴全息几何光路的变化 229
12.2.4 离轴全息 230
12.3 电子方式的记录与再现（数字全息） 232
12.3.1 重建数字全息图 232
12.3.2 菲涅耳近似 233
12.3.3 卷积（角谱）方法 234
12.3.4 空间频率的限制 234
12.3.5 数据处理 235
12.4 水下全息成像中的像差和分辨率 236
12.5 全息相机 237
12.5.1 一种经典的照片记录全息相机HoloMar 238
12.5.2 水下数字全息相机 240
12.5.3 eHoloCam系统（Aberdeen大学） 242
12.6 未来的趋势 246
12.7 小结 246
12.8 更多资料来源和建议 246
12.9 致谢 247
参考文献 247
第13章 水下激光扫描和成像系统 252
13.1 引言 252
13.2 激光距离选通系统 253
13.3 激光线扫描系统 253
13.3.1 同步扫描：单基地系统 253
13.3.2 激光线扫描系统：理论 255
13.3.3 激光线扫描系统：双锥形扫描镜 256
13.3.4 激光线扫描系统：单六角形扫描镜 258
13.4 同步扫描：时间门控成像（脉冲门控激光线扫描系统） 259
13.5 扫描双基地成像系统和时间编码 261
13.6 通过调幅FDMA实现多基地激光线扫描成像通道 263
13.7 三维光学扫描成像系统 264
13.8 基于频率变换的光学扫描成像方法 265
参考文献 266
第14章 应用于海洋的激光多普勒测速和粒子图像测速技术 271
14.1 粒子图像测速介绍 271
14.1.1 粒子图像测速的基本概念 271
14.1.2 粒子图像测速背景下的图像匹配 273
14.1.3 窗口平移 276
14.1.4 窗口校正技术 276
14.1.5 图像和滤波窗口 277
14.1.6 数据有效性 278
14.1.7 关于粒子图像测速中的错误源 279
14.2 粒子跟踪测速 280
14.2.1 粒子识别 281
14.2.2 粒子匹配 281
14.3 使用粒子图像测速和粒子跟踪测速进行多相测量—掩蔽技术 282
14.4 合成纹影—密度梯度测量 283
14.5 激光多普勒测速和相位多普勒测速 284
14.5.1 激光多普勒测速 284
14.5.2 相位多普勒测速 285
14.5.3 折射率差异的影响 286
14.5.4 边界层剪切应力的测
第1章 水下光学简介 1
1.1 水体中的光 1
1.2 海洋光学基础 1
1.3 天然水体的光学性质 5
1.4 水体的光学分类 7
1.5 小结 8
1.6 更多资料来源和建议 9
参考文献 10
第2章 水下成像与视觉简介 12
2.1 引言 12
2.2 水下成像和视觉史节选 13
2.3 水下光学成像 15
2.4 视距扩展成像系统 17
2.5 浮游生物成像和剖面系统 19
2.6 混合系统 20
2.7 小结 21
2.8 更多资料来源和建议 22
参考文献 22
第3章 水下光学史 26
3.1 引言 26
3.2 探索天然水体的神秘色彩 27
3.3 蓝色反射和绿色透射 32
3.4 卡普里蓝洞的原理 36
3.5 历史上的实验室设备 39
3.5.1 本生筒（1847） 39
3.5.2 贝兹镜盒（1862） 40
3.5.3 索雷特玻璃筒（1869） 41
3.5.4 凯瑟管（1873） 41
3.5.5 普鲁士蓝、白粉末（1882） 41
3.5.6 艾特肯管（1880） 42
3.5.7 博厄斯水荧光测定管（1880） 42
3.5.8 博厄斯管测定水的透射光颜色（1880） 43
3.5.9 博厄斯吸收实验（1881） 43
3.6 历史上的现场测量设备 44
3.6.1 阿拉戈棱镜 45
3.6.2 贝茨金属管（1862） 45
3.6.3 博厄斯管（1880） 46
3.6.4 索雷特伸缩管（1869） 46
3.6.5 艾特肯金属管（1880） 47
3.7 海色比较仪 49
3.7.1 Forel-Ule水色计（1892） 49
3.7.2 洛伦兹矿物色标（1898） 50
3.7.3 雷德国际色标（1898） 51
3.8 小结 51
3.9 记录与思考 52
参考文献 53
第4章 水下光场的高光谱测量 57
4.1 高光谱与多光谱的辐射测量 57
4.2 辐射度量学的基本原理 58
4.3 传感器设计和光收集器几何结构 59
4.4 光谱分辨率、噪声水平和时间响应 61
4.5 辐射计的校正和部署 62
4.6 天然水体的高光谱特征 62
4.7 光谱转换过程的重要性 64
4.8 小结 65
参考文献 65
第5章 海水中的有色可溶性有机物 69
5.1 引言 69
5.1.1 有色可溶性有机物简介 69
5.1.2 有色可溶性有机物的重要性 70
5.2 有色可溶性有机物的光学特性 71
5.2.1 吸光度 71
5.2.2 荧光 72
5.3 有色可溶性有机物的测量 74
5.3.1 采样污染和仪器校准 74
5.3.2 有色可溶性有机物分析仪器 75
5.3.3 数据分析与处理 76
5.4 有色可溶性有机物测量在海洋中的应用 76
5.4.1 有色可溶性有机物在海洋中的分布 77
5.4.2 人为产生的有色可溶性有机物 77
5.4.3 有关有色可溶性有机物组成的*新成果 78
5.4.4 水文和生物地球化学过程对全球海洋有色可溶性有机物的控制 79
5.4.5 有色可溶性有机物与沿海生物地球化学动力学 80
5.5 小结 80
5.6 更多资料来源和建议 81
参考文献 81
第6章 海水营养物质的光学评估 88
6.1 引言 88
6.2 直接光学测量 89
6.2.1 水中硝酸盐和亚硝酸盐的吸光度 89
6.2.2 其他成分的吸光度 89
6.2.3 水中的吸光度测量 91
6.2.4 仪器设计的注意事项 93
6.2.5 商业仪器 94
6.2.6 未来的发展 94
6.3 间接光学测量 95
6.3.1 比色法 95
6.3.2 荧光法 96
6.3.3 原位测量的注意事项 96
6.4 小结 96
参考文献 97
第7章 海洋中的生物发光 98
7.1 引言 98
7.1.1 生物发光的多样性 99
7.1.2 生物发光的功能作用 101
7.1.3 海洋生物发光中的昼夜节律变化 101
7.2 海洋中生物发光的测量 103
7.2.1 开放和封闭系统 103
7.2.2 成像方法 107
7.2.3 海洋中生物发光的分布 108
7.3 生物发光在海洋内外的传播 109
7.3.1 案例1：辐射传输建模 110
7.3.2 案例2：经验点源建模 112
7.3.3 生态建模 116
7.4 小结 118
7.5 致谢 119
参考文献 119
第8章 有害藻华的光学评估 127
8.1 引言 127
8.2 用于生物光学评估的藻类特征 131
8.3 藻华监测的尺度和分辨率 136
8.3.1 遥感 136
8.3.2 原位海洋传感 144
8.4 生物光学传感器技术的新进展 147
8.5 业务化海洋学观测 148
参考文献 151
第9章 海洋环境中的悬浮沉积物 164
9.1 引言 164
9.2 海水中颗粒物的质量、密度以及沉降速度 166
9.3 粒度分布 167
9.4 颗粒物与湍流 170
9.5 颗粒物的光散射 173
9.6 颗粒物对光的吸收 175
9.7 直接传感与遥感 177
9.8 小结 180
9.9 更多资料来源和建议 181
参考文献 181
第10章 水下成像的几何光学方法和成像策略 185
10.1 引言 185
10.2 光学成像原理 185
10.2.1 近轴光学 186
10.2.2 近轴光学示意图 187
10.2.3 物空间与像空间 187
10.2.4 透镜 187
10.2.5 复合透镜系统 188
10.3 成像光学 189
10.3.1 成像公式 189
10.3.2 放大率 190
10.3.3 光束限制 192
10.3.4 景深 193
10.4 像差与分辨率 199
10.4.1 色差 199
10.4.2 球差 200
10.4.3 畸变 200
10.4.4 彗差 200
10.4.5 像散 200
10.4.6 场曲 201
10.4.7 像差的整体影响 201
10.4.8 调制传递函数 201
10.5 传感器 202
10.5.1 传感器类型和尺寸 202
10.5.2 曝光时间 202
10.5.3 噪声 203
10.5.4 曝光补偿 203
10.6 照明 203
10.6.1 照明区域限制 204
10.6.2 光源 205
10.7 数据和通信 205
10.7.1 容量评估 205
10.7.2 数据存储 206
10.7.3 遥测和能源供给 206
10.8 小结 206
10.9 致谢 207
参考文献 207
第11章 水下成像：摄影、数字和视频技术 209
11.1 引言 209
11.2 常规成像 211
11.2.1 图像构成和数字摄影 211
11.2.2 相机硬件 213
11.3 照明 214
11.4 未来趋势 216
11.4.1 计算摄影 216
11.4.2 计算成像和计算相机 217
11.4.3 计算图像传感器 219
11.4.4 其他新趋势 219
参考文献 221
第12章 水下全息成像和全息相机 226
12.1 引言 226
12.2 全息成像的概念 227
12.2.1 全息记录和重现 227
12.2.2 同轴全息 228
12.2.3 同轴全息几何光路的变化 229
12.2.4 离轴全息 230
12.3 电子方式的记录与再现（数字全息） 232
12.3.1 重建数字全息图 232
12.3.2 菲涅耳近似 233
12.3.3 卷积（角谱）方法 234
12.3.4 空间频率的限制 234
12.3.5 数据处理 235
12.4 水下全息成像中的像差和分辨率 236
12.5 全息相机 237
12.5.1 一种经典的照片记录全息相机HoloMar 238
12.5.2 水下数字全息相机 240
12.5.3 eHoloCam系统（Aberdeen大学） 242
12.6 未来的趋势 246
12.7 小结 246
12.8 更多资料来源和建议 246
12.9 致谢 247
参考文献 247
第13章 水下激光扫描和成像系统 252
13.1 引言 252
13.2 激光距离选通系统 253
13.3 激光线扫描系统 253
13.3.1 同步扫描：单基地系统 253
13.3.2 激光线扫描系统：理论 255
13.3.3 激光线扫描系统：双锥形扫描镜 256
13.3.4 激光线扫描系统：单六角形扫描镜 258
13.4 同步扫描：时间门控成像（脉冲门控激光线扫描系统） 259
13.5 扫描双基地成像系统和时间编码 261
13.6 通过调幅FDMA实现多基地激光线扫描成像通道 263
13.7 三维光学扫描成像系统 264
13.8 基于频率变换的光学扫描成像方法 265
参考文献 266
第14章 应用于海洋的激光多普勒测速和粒子图像测速技术 271
14.1 粒子图像测速介绍 271
14.1.1 粒子图像测速的基本概念 271
14.1.2 粒子图像测速背景下的图像匹配 273
14.1.3 窗口平移 276
14.1.4 窗口校正技术 276
14.1.5 图像和滤波窗口 277
14.1.6 数据有效性 278
14.1.7 关于粒子图像测速中的错误源 279
14.2 粒子跟踪测速 280
14.2.1 粒子识别 281
14.2.2 粒子匹配 281
14.3 使用粒子图像测速和粒子跟踪测速进行多相测量—掩蔽技术 282
14.4 合成纹影—密度梯度测量 283
14.5 激光多普勒测速和相位多普勒测速 284
14.5.1 激光多普勒测速 284
14.5.2 相位多普勒测速 285
14.5.3 折射率差异的影响 286
14.5.4 边界层剪切应力的测
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水下光学与成像 节选
第1章水下光学简介 光与水及其组成成分的相互作用与海洋环境中的若干物理、生物和化学过程有着重要的联系。本章介绍的水下光学是自然科学和工程科学的一个跨学科领域，主要关注海洋表面下光的利用。本章将向读者介绍基本辐射量、光学特性和分类，并为本书提供所需的海洋光学术语框架。 1.1水体中的光 太阳辐射是地球产生生命的前提。它为陆地和海洋提供能量，促使全球大气和洋流循环，促进光合作用，影响许多生物体的健康和行为。因此，自然水体及其成分也受到光照程度的强烈影响。对光相互作用的整体理解是理解和预测水生生态系统环境过程的关键要素（Dickey et al.，2011）。此外，与声一样，光也是探测水介质的主要方法之一（Sanford et al.，2011）。利用光与水成分的相互作用，通过光学传感器，可以评估光学特性的空间、时间以及光谱变换特性（Daly et al.，2004；Zielinski et al.，2009）。 虽然本书主要介绍海洋环境，并专门针对水下，但是水体光学特性的基本原理同样也适用于淡水系统，甚至适用于工业场所（如废水处理厂）。本章力求为读者提供本书所需的海洋光学术语的框架，介绍基本辐射量、光学特性和分类等。本书各章节针对水生光学学科的介绍较为简单，且更有针对性，更详细的内容可参考柯克（Kirk）（2011）、阿尔斯蒂（Arsti）（2003）、莫布里（Mobley）（1994）或杰洛夫（Jerlov）（1976）等书。 “水下（subsea）”一词通常用于水下技术、设备和方法的表述中。“水下”这一前缀在石油和天然气产业的水下油田设施中应用广泛。在本书中，所指的“水下光学”是自然科学和工程科学的一个跨学科领域，侧重于研究在环境和工业目标的背景下利用海面下的光。 1.2海洋光学基础 假设一束单色准直细光束，波长为A，通常以纳米为单位（1nm=10-9m）。以波长为488.0nm的氩离子激光器为例，分析这束激光的物理性质。它由具备一定能量的光子组成，光子以光速（C0）运动，对于给定的介质，C0是恒定的。物质和能量的波粒二象性告诉我们，要解释光子的传播和相互作用，需要同时考虑其粒子特性和波动性质。单光子的能量子与其频率（V）有关，单位为s-1（Hz），与波长成反比： （1.1） 其中，普朗克常数。我们所指的光为水中传播的光，因此，实际上是在观察光子在非真空介质的运动。真空中，光速约为；在介质中光速受介质折射率（n）的影响会降低，而折射率也会随温度、盐度和波长而变化。假设，水中光速，由于光子的能量和频率保持不变，因此其波长会变短。然而由于物质相互作用是以能量为基础的，而且C0和的变化是一致的，所以式（1.1）在真空中和在水中一样有效，本书中所涉及的所有2都是针对真空条件的。因此，前面所说的氩离子激光的光子能量为，与介质无关。 随着时间的推移，大量光子向外辐射。可以使用辐射通量（辐射功率）对激光束这一特性进行描述。对于单色辐射通量，即指单位时间内通过某一界面的辐射能，其单位为W（瓦特）；而与之对应的光谱辐射通量，其单位则为，它是光谱度量学中的基本量。因此，对于某一波长下的给定的辐射通量与单位时间内通过的量子数之间存在如下关系： （1.2） 对于波长为488.0nm的氩离子激光，1W辐射通量包含2.455x10光子/s，而对于632.8nm的激光（氦氖激光的典型波长），相同辐射通量包含3.183x1018光子/s，原因是单个红光光子的能量比蓝光光子的能量低23%。在技术应用中，通常将辐射功率视为系统性能的关键因素，而一些生物光学过程（如光合作用）一般是由可用波长的光子数驱动的，通常用摩尔光子或表示，其中一个einst是一摩尔光子。 光在介质中的传播主要受到吸收和弹性散射的影响，而其他影响因素包括：非弹性散射，以及荧光和磷光过程产生的光子发射，这一部分将在后面讨论。 现在，假设前述激光束入射到一薄层水介质（厚度为Az）中，光子和介质相互作用的水体体积为AF（图1.1），在这个体积范围之外没有相互作用。忽略水体表面的反射和折射，假设介质在体积AF内是均匀的，没有内部能量源或能量转移（波长转换）发生，也不考虑极化的影响。 通过设计合适的光电探测器，测量球坐标下光谱辐射功率少的分布。实际上，这种测量光谱辐射功率的仪器，通过探测一定立体角内投射在探测器区域上的光子，获得非偏振光谱辐亮度，定义为 （1.3） 从中可以导出所有其他辐射量（Mobley，1994）。 在实验中，只有一小部分的光通过体积为的介质后传播方向没有发生改变，这部分的光谱辐射功率定义为负。另一部分将向不同的方向（角旳散射，其光谱辐射功率定义为负。将向各个方向散射的光谱辐射功率相加，得到负。剩余的入射能量将在体积内吸收。在上述前提下，根据能量守恒： （1.4） 如果Az趋向于无穷小，则有以下公式成立。 （1） （1.5） （2） （1.6） （3） （1.7） （4） （1.8） （1.9） 其中，为前向散射系数： （1.10） 为后向散射系数: （1.11） 这些大尺度或大体积参数是天然水体固有光学性质（Inherent Optical Properties，IOP）的一部分，它们仅与介质有关，与介质中的环境光场无关。相反，表观光学特性（Apparent Optical Properties，AOP）取决于介质和环境光场的方向（几何）结构，具备足够的规则特征和稳定性，它可以作为水体的有用描述。其中包括漫射衰减系数和各种反射系数（Preisendorfer，1976；Mobley，1994）。测量AOP的传感器米用太阳作为光源，通常为被动式；传感器通常需要采用主动光源。本书第4章将介绍高光谱水下光场参数及其基于光谱辐亮度的测量（式（1.3））。表1.1提供了有关水下光学的常用符号单位。 1.3天然水体的光学性质 测量非偏振准直光束沿指定路径衰减的传感器通常称为透射计或光束衰减计（或“c-meters”），包括单波长、多波长和高光谱光束衰减计，其典型路径长度为5～25cm（见Moore等（2009），光学传感器制造商概述）。图1.2为10cm路径长度的高光谱光束衰减计，釆用256通道硅光电二极管阵列作为探测器，在360～750nm的波长范围内测量。 对于均勻介质，光路长度的透射光谱辐射功率色用指数衰减表示： （1.12） 其中，为入射光谱辐射功率。 可表示为： （1.13） 衰减系数是水本身的衰减与釆样体积中的微粒和溶解成分（也称为光学活性物质或旋光物质）衰减的叠加。天然水中的主要成分包括：非藻类颗粒（NAP）、有色可溶性有机物（CDOM，曾称为Gelbstoff，见第5章）和浮游植物（下标ph，通常用叶绿素a的浓度来表征）。图1.3给出了三种未经过滤的不同类型水样品的衰减光谱。注意，光谱中已经扣除水本身的衰减cw（使用纯净水作为参考样品）。 当然，衰减测量绝不限于这些成分，对于技术和环境研究来说，其他光学活性物质可能会令人感兴趣，例如，溶解的油或染料，可用于追踪水团或泄漏。一般来说，只要给出足够的信号强度，并排除其他物质的不确定性，就可以通过光谱分解来识别每一种具有特征吸收和散射特性的物质。由于c=a+b，叠加也适用于吸收和散射： （1.14） （1.15） （1.16） 有色可溶性有机物定义的是吸收特性，因此。这些光学特性的测量和建模很复杂，一些出版物和教科书将其作为主要内容，重复介绍这些内容超出了本章的范围，但其中的部分内容将在本书的其他章节中进行讨论。 在第1.2节中，我们仅考虑了吸收和弹性散射。而根据分子物理学，无论是非弹性散射（如水下拉曼效应，见本书第16章），还是光致发光光谱，物质-能量相互作用的过程会导致光子以不同于*初吸收的波长重新发射。一般来说，发光意味着电离的原子和分子辐射出光子，这需要特定的激发能。由生物代谢引入的能量也会产生生物发光（详见本书第7章Moline等讨论的内容），具体来说，这种代谢过程是一种化学反应，所以也可以称为化学发光。其他形式的发光还可以由机械、热或电等激发产生，与水下光学和仪器设计相关的是光激发，即光致发光，其本身可分为荧光和磷光。通过光致发光直接感知光谱“指纹”是一种非常敏感的方法，甚至可以评估我们在自然界观察到的复杂大分子。 与前述吸收光谱法相比，从光致发光中可以得到多个参数，包括：量子产率（发射光子与入射光子的比值）、偏振度和荧光衰减寿命等。此外，从一系列不同的激发波长中提取发光光谱可以得到三维信息，这种方法称为激发-发射矩阵光谱（Exdtation-Emission-Matrix-Spectroscopy，EEMS）法。可以用分子的不同激发态来对荧光和磷光进行
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