吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究
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海洋光学固有光学参数及其现场测量方法
海洋光学固有光学参数及其现场测量方法摘要海洋光学固有光学参数主要包括吸收系数、散射系数、衰减系数和体散射函数，这些参数仅取决于海水本身的物理特性，是海洋光学研究的基本参数。
本文主要介绍了固有光学参数以及目前国际海洋光学和海色遥感界最常用的固有光学参数测量方法。
关键词固有光学参数；吸收系数；后向散射系数0 引言自然水体中，不管是淡水还是盐碱水体，都含有溶解物质和粒子物质。
溶解物质和粒子物质的类型和浓度在各种水体中变化很大，这直接影响水体的光学性质。
自然水体的光学特性与生、地、化要素以及物理环境密切相关，因此研究自然水体的光学特性有很重要的意义。
19世纪初海洋研究者开始利用透明度盘目测自然光在海水中的垂直衰减。
19世纪末海洋学家开始注意研究海洋的光学特性，并采用光电方法测量了海洋的辐照度。
20世纪30年代瑞典等国的科学家设计了最初的海洋光学仪器，用以测定海水的光辐射场分布、体积衰减系数和散射系数。
20世纪60年代，Preisendorfer提出了比较系统的海洋光学辐射传递理论，根据海洋中光学特性是否随光场分布变化定义了海洋的固有光学特性和表观光学特性。
本文主要介绍自然水体的固有光学参数以及当前测量固有光学参数最常用的仪器。
1 固有光学参数介绍固有光学参数包括光谱吸收系数、散射系数、衰减系数和体散射函数等。
影响海水固有光学参数的海水组分主要包括：纯海水、悬浮颗粒物和有色可溶有机物（CDOM）。
水体总吸收系数与总散射系数分别为海水各组分吸收系数与各组分散射系数之和[3，6]。
其中，表示水体总吸收系数，分别表示纯水、浮游植物叶绿素、非色素悬浮颗粒物、有色可溶有机物的吸收系数；表示水体总散射系数，分别表示纯水和悬浮颗粒物的散射系数；为总后向散射系数，分别表示纯水和悬浮颗粒物后向散射的比例系数。
2 测量固有光学参数的仪器2.1 ac-s高光谱吸收衰减测量仪固有光学参数中的吸收系数a和衰减系数c可以由美国WET Labs 公司生产的ac-s高光谱吸收衰减仪[7]测量，该仪器是目前国际海洋光学和海色遥感界公认的吸收系数和衰减系数现场测量标准仪器。
光在海水中的衰减系数
光在海水中的衰减系数
光在海水中的衰减系数是指光线在海水中传播时，由于海水的吸收、散射和反射等因素而逐渐减弱的程度。
这个系数对于海洋科学、海洋工程和海洋资源开发等领域都有着重要的意义。
海水中的光线主要受到三种因素的影响：吸收、散射和反射。
其中，吸收是最主要的因素。
海水中的水分子、盐离子、有机物质和悬浮颗粒等都会吸收光线，使其逐渐减弱。
不同波长的光线在海水中的吸收程度也不同，红色光线被吸收得最快，紫色光线被吸收得最慢。
散射是指光线在海水中遇到颗粒或气泡等物质时，发生方向改变的现象。
散射会使光线在传播过程中发生偏转，从而影响其传播距离和强度。
反射是指光线在海水表面遇到空气时，发生反射的现象。
反射会使光线在传播过程中发生反向，从而影响其传播距离和强度。
光在海水中的衰减系数与海水的透明度密切相关。
透明度是指海水中光线传播的距离，通常用透明度系数来表示。
透明度系数越大，海水中的光线传播距离就越远，衰减系数就越小。
海水中的光线衰减系数对于海洋科学、海洋工程和海洋资源开发等领域都有着重要的意义。
在海洋科学中，光线衰减系数可以用来研究海水中的生物、化学和物理过程。
在海洋工程中，光线衰减系数可以用来设计海洋观测设备和水下通信系统。
在海洋资源开发中，
光线衰减系数可以用来评估海水中的光照条件，从而确定适宜的养殖和捕捞区域。
光在海水中的衰减系数是海洋科学、海洋工程和海洋资源开发等领域中的重要参数，对于深入了解海洋环境和开发利用海洋资源都有着重要的意义。
海洋光学ocean optics原理
海洋光学（Ocean Optics）是研究海洋中光的传播、相互作用和应用的一门学科。
它涉及到海水中光的吸收、散射、透射等多种光学现象，对于认识海洋的光学特性和开发海洋光学仪器具有重要意义。
本文将介绍海洋光学的原理，包括海水中光的传播规律、海水的吸收和散射特性，以及海洋光学在海洋科学和环境监测中的应用。
一、海水中光的传播规律海水是一种具有吸收、散射和透射能力的介质，其光学性质主要受水体成分和悬浮物的影响。
在海水中，光的传播受到多种因素的影响，包括入射光的波长、水质、水深等。
光在海水中的传播过程可以用光传播的基本原理来解释和描述，其核心是光的吸收、散射和透射。
1. 光的吸收：海水中的吸收主要是由水分子和溶解态和颗粒态有机物质引起的。
在可见光波段，蓝色光比红色光在海水中更容易被吸收，这也是海水呈现出蓝色的原因之一。
2. 光的散射：海水中的散射主要是由溶解和悬浮的微粒引起的。
根据散射光的波长和传播方向的不同，可以将海水中的散射分为瑞利散射、米氏散射和非选择性散射等不同类型。
3. 光的透射：海水对光的透射影响受到吸收和散射的共同作用，当光在海水中传播时，会发生吸收和散射现象，导致光强度逐渐减弱，直至最终衰减至无穷小。
二、海水的吸收和散射特性海水中的吸收和散射特性是海洋光学研究的重点之一。
海水中的吸收和散射过程不仅受到水质、水温、盐度等因素的影响，还受到气候、地理、季节等多种因素的影响。
1. 水质的影响：海水中悬浮物的浓度和颗粒的大小对光的吸收和散射起着重要作用。
一般来说，海水中悬浮物含量越高，光的吸收和散射就越明显。
2. 水温和盐度的影响：水温和盐度对海水的光学性质有一定影响，其中水温会影响到海水的折射率，而盐度对海水的透射性能产生一定的影响。
3. 天气和地理的影响：天气和地理因素也对海水的光学特性有一定影响，例如气候条件的变化、水深的不同，都会影响到海水的光学性质。
三、海洋光学在海洋科学和环境监测中的应用海洋光学的研究成果在海洋科学和环境监测领域有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1. 海洋物理学研究：海洋光学技术可以用于测量海水的透明度、悬浮物浓度、叶绿素浓度等参数，为海洋物理学的研究提供了重要的数据支持。
水中气泡激光后向散射衰减特性研究
ｌｔｄ ｂ ｈ ａ ｅ － ｅ ｒｌｗ ｎ ｒ ａ ｕ ｅ ｙ ｔ ｅ ｌｓ ｒｐ ｗｅ ｔｒ ｈ ｅ ｕ ｔ ｆ ｍ ａａ ｉ ｄ ｃ ｔｄ ｔ ａ ｅ ａ ｅ ｙ ｔ ｅ Ｌ ｍｂ ｒ Ｂ ｅ ａ ａ ｄ ｗｅ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｂ ａ ｅ ｔ ｈ ｏ ｒｍｅｅ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｏ ｄ ｔ ｉ技 术与应 用 ・ 激
水 中气 泡 激 光后 向散 射 衰 减特 性 研 究
马 治 国 ， 江安 石晟玮 王 ，
（． １海军工程大学电子工程学 院， 湖北 武汉 ４ ０ ３ ；． ３ ０ ３２ 海军工程大学兵器工程系 ， 湖北 武汉 ４ ０ ３ ） ３ ０ ３
摘
要： 采用 Ｌ ｍ ｅｔ ｅｒ ａ ｂ ｒ Ｂ ｅ 定律 对水 中气 泡后 向散射光 功 率进 行理 论分 析 ， ． 并采用 激 光功 率计
ｐｏ ｒｏ ａ ｋ－ｃ ｔｅ ｎｇｌｇ ｔｗａ ｎｈ ｎ ｅ ｕｅｔ ｂ ｌ ｓ， ｕ ｔｉ ｔｌ ｖ ｒ ｅ ｂｅ． ｅｐｏ ｒｒ ｌｔ ｄｔ ｈｅｄ ｓａ ｅ ｗｅ ｆｂ ｃ ｓ ａｔｒ ｉｈ ｓｅ ａ ｃ ｄ ｄ ｏｂｕ ｂ ｅ ｂ ｔｉ ｓｓｉｌ ｅ ｙｆ ｅ ｌ Ｔｈ ｗｅ ｅ ａｅ ｏ ｔ ｉｔｎｃ ｉ
ｂ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｔｃｏ ｎ ｅｂ ｂ ｌ ｆ ｍ ａ ｅｃ ｌ ｕａ ｅ ｙ ｔ ｅ Ｌ ｍｂ ｒ Ｂｅ ｒｌｗ． ｈ ｏ ｒ ｓｒ ｌｔｄ ｔ ｅｄ ｎ ｅｗ ｅ ｈ ｅ ｅ ｔｒａ ｄ ｔ ｕ ｂ ｅ ｉ ｃ ｎ ｂ ａ ｃ ｌｔｄ ｂ ｈ ｌ ｈ ａ ｅ — ｅ ｔ ａ Ｔ ｅ ｐ ｗｅ ｅａ ｅ ｏ ｔ ｅ － ｉ ｈ ｓ ｙ ｏ ｕ ｂ ｅ ． ｉ ｆｂ ｂ ｌ ｓ ｔ Ｋｅ ｒ ｓ ｂ ｂ ｅ ｌ ｈ ｃ ｔ ｒｎ ； ｅ ｌ ｈ ｃ ｔ ｒ ｇ ｌ ｈ ｏ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｕ ｌ ； ｇ ｔｓ ａｔｉ ｇ Ｍｉ ｉ ｔ ａ ｔｉ ； ｇ ｔｐ ｗ ｒ ｂ ｉ ｅ ｇ ｓ ｅｎ ｉ
舰船尾流气泡目标激光后向散射特性研究
文章编号 2097-1842（2023）06-1333-10舰船尾流气泡目标激光后向散射特性研究宗思光1，张 鑫2 *，杨劭鹏1，段子科1，陈 报1（1. 海军工程大学 电子工程学院, 湖北 武汉 430034；2. 海军航空大学 青岛校区, 山东 青岛 266041）摘要：为了提高激光光尾流制导距离和探测信噪比，研究不同距离、不同气泡尺度、不同气泡数密度和不同气泡层厚度的气泡目标的后向散射特性具有重要的理论和应用价值。
采用蒙特卡洛仿真和室内实验研究了前述舰船尾流气泡目标的激光后向散射特性。
结果表明：近距离的气泡要比远距离的气泡更容易被检测到；在气泡数密度为102~108 m −3，气泡层厚度大于0.05 m 时，大尺度和小尺度气泡始终存在回波信号，气泡层厚度小于0.05 m 时无回波信号，此时，气泡层厚度特性对气泡后向散射的影响最大；在气泡数密度为109 m −3，气泡层厚度为0.05 m 以下时，大尺度气泡回波信号脉冲宽度会展宽。
在这种情况下，气泡数密度和尺度特性对气泡后向散射的影响最大。
搭建了水下典型气泡尺度下的激光后向散射测量系统，验证了不同舰船尾流气泡目标特性对激光后向探测系统的影响。
本文研究成果可为舰船尾流激光探测工程提供支撑。
关 键 词：舰船尾流；蒙特卡洛；后向散射；目标特性中图分类号：TN249 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0043Laser backscattering characteristics of ship wake bubble targetZONG Si-guang 1，ZHANG Xin 2 *，YANG Shao-peng 1，DUAN Zi-ke 1，CHEN Bao 1（1. College of Electronic Engineering , Naval University of Engineering , Wuhan 430034, China ；2. Qingdao Branch , Naval Aeronautical University , Qingdao 266041, China ）* Corresponding author ，E-mail : 1714308601@Abstract : In order to improve the laser wake guidance distance and the detection signal-to-noise ratio, it is of great theoretical and practical value to study the backscattering characteristics of bubble targets with differ-ent distances, bubble sizes, bubble number densities, and bubble layer thicknesses. The laser backscattering characteristics of ship wake bubble targets with different distances, scales, numerical densities, and thick-nesses are studied using Monte Carlo simulations and indoor experiments. When the bubble density is 102−108 m −3 and the thickness of the bubble layer is greater than 0.05 m, there is always an echo signal for both large- and small-scale bubbles. When the thickness of the bubble layer is less than 0.05 m, no echo sig-nal is detected. At this situation, the thickness of the bubble layer is the greatest impact factor on the back-ward scattering of bubbles. When the bubble number density is 109 m −3 and the thickness of the bubble layer is below 0.05 m, the pulse width of the large-scale bubble echo signal widens. The number density and scale收稿日期：2023-03-13；修订日期：2023-05-15基金项目：国防科研基金（No. 2019-JCJQ-JJ-056)Supported by the National Defense Foundation of China （No. 2019-JCJQ-JJ-056)第 16 卷 第 6 期中国光学（中英文）Vol. 16 No. 62023年11月Chinese OpticsNov. 2023characteristics of the bubbles have the greatest impact on the backscattering of bubbles. A laser backscatter-ing measurement system at the scale of typical underwater bubbles is built to verify the influence of different ship wake bubble characteristics on the laser backscattering detection system, which can provide support for the ship wake laser detection project.Key words: ship wake；Monte Carlo；backscattering；target characteristics1 引 言为了适应新时代的战争需求，响应科技强军号召，用先进的科学手段，自动化、智能化、高效化探测跟踪舰船变得至关重要。
水对光的散射
水对光的散射
水对光的散射是指当光线照射到水中时，由于水分子与光的相互作用，光线在水中发生方向变化并传播的现象。
水对光的散射主要包括两种类型：弹性散射和非弹性散射。
1.弹性散射：弹性散射是指光线穿过水中时，与水分子碰撞后改变传播方向，但光子的能量和频率保持不变。
这种散射现象是由于水分子的体积小于光波长，导致光线受到分子的微小扰动而改变传播方向。
这种散射导致水中的光呈现出蓝色色调，因为波长较短的蓝光在散射过程中更容易偏离原来的传播方向。
2. 非弹性散射：非弹性散射是指光线与水分子碰撞后，光子的能量和频率发生变化的散射现象。
这种散射通常发生在光的能量与水分子相互作用时，水分子会吸收一部分能量并转化为热量。
非弹性散射通常在较高的光能量（如紫外光）下发生，对肉眼不易观察。
水对光的散射是导致水中透明度降低的主要原因之一。
当水中溶解有悬浮物质或悬浮微粒时，这些微粒会散射光线，使得水呈现浑浊的外观。
此外，水中的气泡、气体或其他杂质也会导致光的散射现象。
在海洋环境中，水对光的散射对于水下光的传播和可见性具有重要影响。
散射使得远离光源的区域变得暗淡，影响人眼在水中的视觉感知能力。
同时，散射还对水下光合作用、生物光信号传递等生态过程产生重要影响。
水对光的散射是光线在水中遇到水分子时所发生的方向变化和能量改变的现象，这对水的透明度和水下生态过程具有重要影响。
光在水中的散射和吸收规律
光在水中的散射和吸收规律光在水中传播时，会发生散射和吸收现象。
这些现象是由光与水分子相互作用所引起的。
散射是指光线在传播过程中被水分子所散射，改变原来的传播方向。
吸收是指光线在传播过程中被水分子所吸收，转化为其他形式的能量。
我们来看光在水中的散射现象。
当光线射入水中时，会与水分子相互作用，使得光线的传播方向发生改变。
这是因为光线与水分子发生碰撞后，会被分子的电场力所作用，使光线发生偏转。
散射现象导致了光线的传播方向不再是直线传播，而是呈现出随机分布的状态。
这也是为什么在水中观察远处物体时，会出现模糊不清的现象。
光在水中的吸收现象也是十分重要的。
当光线穿过水体时，会与水分子相互作用，一部分光能被水分子吸收。
这是因为水分子的电子结构与光的能量水平相匹配，使得光能被水分子吸收。
吸收的光能会被转化为分子的内部能量，导致水分子的振动、转动或电子激发等。
这也是为什么水中的光线会逐渐减弱，直至消失的原因。
光在水中的散射和吸收规律也与光的波长有关。
根据斯托克斯散射定律，光在水中的散射程度与光的波长呈反比关系。
也就是说，波长较短的光会更容易被散射。
这就解释了为什么在水中，蓝色光的散射比红色光的散射更为明显。
另外，根据光的吸收规律，不同波长的光在水中的吸收程度也不同。
在可见光范围内，红光的吸收最弱，而紫光的吸收最强。
光在水中的散射和吸收现象也与水的浑浊度有关。
浑浊度越高的水，其中的杂质颗粒越多，会对光的传播产生更大的干扰，使散射现象更明显。
这也是为什么在浑浊的水中，看起来物体更加模糊不清的原因。
总结起来，光在水中的散射和吸收规律是由光与水分子相互作用所导致的。
散射使光线的传播方向发生改变，吸收使光能被转化为其他形式的能量。
这些规律与光的波长和水的浑浊度有关。
深入了解光在水中的散射和吸收规律，对于水体的光学性质的研究和应用具有重要意义。
吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究
中 图分 类 号 ： Ｏ４ ６ ２ ３ ． 文献标识码 ： Ａ
海 水 中波 的破碎 以及 鱼群 和舰船 等 物体 的运动 都会产 生大量 的气 泡 。气 泡的存 在严重 影响 了光在水 中的 传 播特 性 ， 泡 的光 散射对 水下 目标 的探 测 以及遥感 技术 的应用 具有 重要 的作 用 ， 气泡光 学特性 的研究 起步 气 但
射、 布儒 斯特 角 （０ ． ｏ散 射 和辉 光 （ ８ 。散 射 以及 脏气 泡 的 临界 角 散 射 ］ ｔａ ｓ ｉ １ ９ １６ ２） １ ０） 。Ｓｒｍｉ 于 ９ ４年应 用 Ｍｉ ｋ ｅ
理 论首 先研究 了海水 中半径 在 １ ～ １ ０ ｍ 内干净 气 泡群 的散射 和后 向散射 系数Ｌ ， Ｏ ５ ６ 发现 这些 气 泡 对 海水 后 ］ 向散射 的贡 献可达 ｌ 。Ｚ ａ ｇ应 用 Ｍｉ 理 论研 究 了脏 气 泡群 的 散 射 和后 向散射 系 数 以及 体散 射 函数 ］ Ｏ ｈｎ ｅ 。 最近 ， 又有关 于利用 光线 跟踪法 研究气 泡 介质 散射光 的强 度 和偏 振特 性 以及 利 用多 层蒙 特 卡罗 方 法模 拟水 下 气泡群 后 向散射信号 的报道 Ｌ 。 ｓ 。 Ｓ ｒｍｉ ｉ 研究 了干净气 泡 的光散 射 特 性Ｌ ， ｈ ｎ ｔａ ｓ 仅 ｋ ６ Ｚ ａ ｇ虽然 将 重 点 放 在 了脏气 泡 上Ｌ ， ］ ７ 但他 们 都 将 海水 当 ］ 作 非 吸收性 介质来考 虑 。实际上 ， 海水 是 一种 吸收性 介质 ， 海水对 光 的 吸收会 影响到 气泡 的光散射 。本 文利用
当气 泡半 径较大 时 ， 和 可 能会 超过 计算 机 的处 理字 长 ， 计算 结果 溢 出 。为此 ， 使 我们 引 进两 个新 的函
数 ［－］ １１ ２ ３
海 水 中波 的破碎 以及 鱼群 和舰船 等 物体 的运动 都会产 生大量 的气 泡 。气 泡的存 在严重 影响 了光在水 中的 传 播特 性 ， 泡 的光 散射对 水下 目标 的探 测 以及遥感 技术 的应用 具有 重要 的作 用 ， 气泡光 学特性 的研究 起步 气 但
射、 布儒 斯特 角 （０ ． ｏ散 射 和辉 光 （ ８ 。散 射 以及 脏气 泡 的 临界 角 散 射 ］ ｔａ ｓ ｉ １ ９ １６ ２） １ ０） 。Ｓｒｍｉ 于 ９ ４年应 用 Ｍｉ ｋ ｅ
理 论首 先研究 了海水 中半径 在 １ ～ １ ０ ｍ 内干净 气 泡群 的散射 和后 向散射 系数Ｌ ， Ｏ ５ ６ 发现 这些 气 泡 对 海水 后 ］ 向散射 的贡 献可达 ｌ 。Ｚ ａ ｇ应 用 Ｍｉ 理 论研 究 了脏 气 泡群 的 散 射 和后 向散射 系 数 以及 体散 射 函数 ］ Ｏ ｈｎ ｅ 。 最近 ， 又有关 于利用 光线 跟踪法 研究气 泡 介质 散射光 的强 度 和偏 振特 性 以及 利 用多 层蒙 特 卡罗 方 法模 拟水 下 气泡群 后 向散射信号 的报道 Ｌ 。 ｓ 。 Ｓ ｒｍｉ ｉ 研究 了干净气 泡 的光散 射 特 性Ｌ ， ｈ ｎ ｔａ ｓ 仅 ｋ ６ Ｚ ａ ｇ虽然 将 重 点 放 在 了脏气 泡 上Ｌ ， ］ ７ 但他 们 都 将 海水 当 ］ 作 非 吸收性 介质来考 虑 。实际上 ， 海水 是 一种 吸收性 介质 ， 海水对 光 的 吸收会 影响到 气泡 的光散射 。本 文利用
当气 泡半 径较大 时 ， 和 可 能会 超过 计算 机 的处 理字 长 ， 计算 结果 溢 出 。为此 ， 使 我们 引 进两 个新 的函
数 ［－］ １１ ２ ３
水下气泡幕激光后向散射功率衰减特性实验研究
１ 引言
舰 船在航 行过程 中产生 了大 量 的气泡 ， 在很 并
长时 间 内存在 Ｌ 。由于气 泡 的存 在 ， 水 的光学 ｌ ｑ］ 海 特性 与无 气 泡 时会 有显 著 的 区别 ［ 。这 就 为 通 ４ ｊ
性 和散射特 性等 。 目前 ， 对气 泡幕激 光 散射 特性 尤 其是后 向散 射特性 的研究 相对 较少 ， 文重 点对 此 本 进行 研究 。影响 气 泡幕 激 光 后 向散射 特 性 的 因 素
总第 ２ ０期 ５ ２１ 第 ８ ００年 期
计 算 机 与 数 字工 程
Ｃｏ ｕ ｅ ｍｐ ｔｒ＆ Ｄｉｉ ｌＥ ｇｎ ｅ ｉｇ ｇｔ ｎ ｉｅ ｒｎ ａ
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ８ １３ ．
１２ ８
水 下气 泡 幕 激 光 后 向 散 射 功 率 衰 减 特 性 实 验 研 究
Ｚｈ ｎ ｉ ｎ ｗｅ ’ ａ ｇＪ ａ ｇ ｉ Ｙａ ｇ Ｋｕ ｔ ｏ ’ ｎ ｎａ Ｍ ａ Ｚｈ ｇ ｏ ｉｕ ２
（ ａｈ ｎ ｉｅｓｔ ｆ ｃ ｎ ｅａ ｄＴ ｃｎ ｌｇ Ｈｕ ｚ ｏ ｇＵｎｖ ｒｉ ｏ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ”，Ｗ ｕ ａ ４ ０ ７ ） Ｎａ ａ Ｕｎｖｒｉ ｆＥ ｇｎ ｅｉ ｅ，Ｗ ｕ ａ ４ ０ ３ ） ｙ Ｓ ｅ ｈｎ ３ ０ ４ （ ｖ ｌ ｉ ｅｓ ｙｏ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｔ ｎ ｈ ｎ ３ ０ ３
关键 词
散射 ；衰减 ；功率 ；气泡 Ｔ Nhomakorabea１ Ｎ２ ６
中 图分 类 号
Ｅｘ ｒｍ ｅ ｔ ｔ ｙ ｏ ｗ ｅ ｔ ｎｕ ｔｏ ｏ ｅ ｔｅ ｐｅ ｉ ｎ ａｌＳ ｕｄ ｆ Ｐｏ ｒ Ａｔ ｅ ａ ｉ ｎ Ｐｒ ｐ ｒ ｉ ｓ ｏ ｃ ｓ ａ ｔ ｒｎｇ Ｌａ ｅ ｒ ｍ ｂ ｌ ｌ ｎ Ｗ ａ ｅ ｆＢａ ｋ－ ｃ ｔ ｅ ｉ ｓ ｒ ｆ ｏ Ｂｕ ｂ ｅ Ｆｉｍ ｉ ｔｒ
纯海水的吸收系数散射系数
纯海水的吸收系数散射系数一、引言海洋是地球上最广阔的生态系统之一，其中的光学特性对于海洋环境的研究和应用具有重要意义。
纯海水的吸收系数和散射系数是海洋光学研究中的重要参数，本文将对其进行详细介绍。
二、纯海水的吸收系数1. 吸收过程简介光在海水中传播时，会受到多种因素的影响而发生吸收。
其中最主要的因素是水分子、盐度、温度和溶解有机物等。
由于这些因素在不同深度和地区存在差异，因此吸收系数也会随之变化。
2. 影响吸收系数的因素（1）波长：不同波长的光在海水中的吸收程度不同。
红色光波长较长，能够穿透更深的水层，而蓝色光波长较短，容易被吸收。
（2）盐度：盐度越高，海水中溶解物质越多，吸收系数也就越大。
（3）温度：温度升高会导致海水中溶解气体减少，并且有机物质的分解速度会加快，这些因素都会增加吸收系数。
3. 吸收系数的计算方法吸收系数通常用下式表示：a(λ) = log(I_0(λ)/I(λ))/l其中，a(λ)表示波长为λ时的吸收系数，I_0(λ)和I(λ)分别是入射和透过海水后的光强度，l是海水层的厚度。
4. 吸收系数的实验测量实验测量吸收系数通常采用分光光度法或激光吸收法。
分光光度法是将不同波长的单色光依次通过样品，然后测量透射率得到吸收系数；激光吸收法则是利用激光束穿过样品，在接受端测量透过激光束后剩余的能量得到吸收系数。
三、纯海水的散射系数1. 散射过程简介海水中除了发生吸收外，还会发生散射。
散射是指入射光在物质中遇到粒子而改变方向并扩散出去的现象。
在海洋环境中，主要发生雷利散射和米氏散射。
2. 影响散射系数的因素（1）波长：波长越短，散射系数越大。
（2）粒子浓度：粒子浓度越高，散射系数也就越大。
（3）角度：不同角度下的散射系数也会有所不同。
3. 散射系数的计算方法散射系数通常用下式表示：b(λ) = (dI_s(λ)/ds)/(I_i(λ)P(θ))其中，b(λ)表示波长为λ时的散射系数，I_s(λ)表示在方向θ上的散射辐亮度，I_i(λ)表示入射辐亮度，P(θ)是相对应角度处单位面积扇形立体角。
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第１９卷第１２期２００７年１２月强激光与粒子束ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＶ０１．１９，Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．，２００７文章编号：１００１—４３２２（２００７）１２—１９７９—０４吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究。
赵卫疆１，苏丽萍２，任德明１，胡孝勇１，曲彦臣１，刘西站１（１．哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室，哈尔滨１５００８０｝２．哈尔滨工程大学理学院，哈尔滨１５０００１）摘要：给出了一种适合于吸收性介质内粒子散射的Ｍｉｅ级数新的表示形式。
利用Ｍｉｅ理论研究了吸收性海水中气泡的单散射特性和气泡群的相位函数。
与非吸收性海水中气泡的光散射特性相比，分析了海水折射率虚部对气泡光散射的影响。
结果表明：１８０。
后向散射的增强是气泡固有的光学性质，与所处介质无关，可以利用后向散射的增强来探测气泡。
关键词：Ｍｉｅ理论；吸收性介质；气泡；相位函数；后向散射中图分类号：０４３６．２文献标识码：Ａ海水中波的破碎以及鱼群和舰船等物体的运动都会产生大量的气泡。
气泡的存在严重影响了光在水中的传播特性，气泡的光散射对水下目标的探测以及遥感技术的应用具有重要的作用，但气泡光学特性的研究起步较晚。
Ｄａｖｉｓ最早于１９５５年利用几何光学方法研究了水中单个大尺度气泡（半径大于几个入射光波长）的散射光强度随散射角的分布特性Ｅ¨。
Ｍａｒｓｔｏｎ等人利用物理光学近似方法研究了单个气泡的临界角（８２．８。
）散射、布儒斯特角（１０６．２。
）散射和辉光（１８０。
）散射以及脏气泡的临界角散射［２。
５］。
Ｓｔｒａｍｉｓｋｉ于１９９４年应用Ｍｉｅ理论首先研究了海水中半径在１０～１５０肛ｍ内干净气泡群的散射和后向散射系数［６］，发现这些气泡对海水后向散射的贡献可达１０％。
Ｚｈａｎｇ应用Ｍｉｅ理论研究了脏气泡群的散射和后向散射系数以及体散射函数［７。
８］。
最近，又有关于利用光线跟踪法研究气泡介质散射光的强度和偏振特性以及利用多层蒙特卡罗方法模拟水下气泡群后向散射信号的报道［９‘１Ｓｔｒａｍｉｓｋｉ仅研究了干净气泡的光散射特性嘲，Ｚｈａｎｇ虽然将重点放在了脏气泡上［７］，但他们都将海水当作非吸收性介质来考虑。
实际上，海水是一种吸收性介质，海水对光的吸收会影响到气泡的光散射。
本文利用Ｍｉｅ理论研究了气泡在吸收性海水中的光散射特性，同时，给出了适合计算吸收性介质内粒子散射的Ｍｉｅ级数新的表示形式。
１理论基础Ｍｉｅ理论是麦克斯韦电磁波方程组在一定的边界条件下经过严格的数学推导得到的匀质球形颗粒在平面单色光照射下散射的精确解。
Ｍｉｅ理论的核心是散射系数‘１１３式中：ｍ为粒子相对于周围介质的复折射率；ｘ＝２，ｒｎａ／Ａ．为粒子的相对尺度，口为粒子半径，Ｙｌ—ｉｒｌＲ。
一ｉ挖ｈｎ为介质的复折射率；咖，邑，妒７；和拿７。
分别为Ｒｉｃａｔｔｉ－Ｂｅｓｓｅｌ函数及其导数。
从式（１）可以看出，Ｍｉｅ系数是粒子相对复折射率ｍ和尺寸参数ｚ的函数。
海水中气泡的折射率一般为实数，当海水为非吸收性时，ｍｘ和ｚ均为实数；当海水为吸收性时，ｍｘ为实数，ｚ为复数。
可见，海水折射率虚部将影响Ｍｉｅ散射系数，从而影响球形粒子的光散射。
当气泡半径较大时，咖和＆可能会超过计算机的处理字长，使计算结果溢出。
为此，我们引进两个新的函数陋１３３Ｄｆ（懈）一船，Ｒｊ（ｚ）一器（２）－收稿日期：２００７－０５－１７≯修订日期：２００７－１０－０９基金项目：哈尔滨工业大学优秀团队支持计划资助课题作者简介：赵卫疆（１９７１一），男，黑龙江人，副教授，博士，主要从事激光技术及应用研究ｆｃ０２＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
强激光与粒子柬第１９卷代人式（１）司得铆一８（ｚ兀酉蕊西硫：＿（面］’’叻一百虿面历忑忑Ｆ］澜¨’以ｒ—Ｃ８ｔ（（ｚｘ兀）［Ｄ丽ｔ（瓦ｒｅｘ万）二－－丽ｍＤ：ｌ＿（（面ｘ）］－，６ｚ一承驴ｔ（五ｘ）丽［ｍ瓦Ｄｔ丽（ｍ西ｘ）＝－－瓦Ｄｌ石（ｘ玎）］（３）实际计算表明，形如式（３）的散射系数具有良好的收敛性，从较小的粒子（瑞利尺寸的粒子）到非常大的粒子（ｚ或ｍｘ的虚部可以达到１０５），计算过程都不会出现溢出。
任一个描述球形粒子光散射特性的参数均可用Ｍｉｅ系数来表示。
吸收介质内球形粒子的单散射特性可表示为‘１４］Ｑ｜一Ｗｉ巧（¨式中：Ｊ可代表ａｂｓ，ｓｃａ，ｅｘｔ；Ｑａ。
，Ｑ。
和Ｑｅ。
分别表示吸收、散射和消光效率因子；Ｗ曲。
，Ｗ。
和Ｗ。
分别表示能量吸收速率、能量散射速率和能量衰减速率；ｆ表示在吸收介质内入射到散射体上的能量速率。
非对称因子为ｇ一！薹［堂竺兰竺．２ｌ＋１Ｒｅ（ａｚｂ？）］㈣∑（２ｚ＋１）（ＩⅡ，Ｉ２＋ｌｂ；ｌｚ’粒子群体散射函数的计算公式为ｆｌ（ｏ）一嘉．ｆ：眦（懈朋＋Ｊ∥（眦，刚Ｎ（口）ｄ口（６）式中：Ｎ（ｎ）为粒子数密度；Ｉｘ（ｍｘ，疗）一ＩＳ，ｌ２和Ｉ／／（ｒｅｘ，日）一ＩＳｚ２称为入射光偏振方向垂直和平行于散射面的散射光强度函数，可表示为ｓ－一翠筹吕‰科６ｆｒ山ｓｚ＝翠筹浩‰科㈨（７）式中：矾和ｒ，为角函数。
用散射系数对体散射函数进行归一化，得到无量纲的归一化体散射函数，即相位函数Ｐ（口）＝ｆｌ（ｏ）／位。
（８）具体表示为ｌａｍｔｇ‘Ｎ（ｎ）ＩＳ上，∥１２ｄａＰ１．∥＝之Ｌ＿芸垫—————————一（９）Ｌ一丽产ｉ瓦ｉ忑五ｑ’Ｐ（口）一去［Ｐ上（口）＋Ｐ／／（口）］（１０）２结果分析２．１气泡的单散射特性实际上，海水本身对蓝绿光除了散射外，由于黄色物质等吸收性物质的存在，导致海水本身对蓝绿光有一定的吸收。
海水吸收对浸在其中气泡的光散射产生一定的影响。
气泡相对复折射率ｍ的实部为０．７５，虚部为０；海水折射率实部为１．３４，虚部分别为０．００１，０．Ｏｌ和０．０５。
图１给出了３种情况时单个气泡的消光、散射和吸收效率因子以及非对称因子，将折射率虚部为０的情况包括在内，是为了方便比较。
从图１（ａ），（ｂ）和（ｃ）可以看出，在吸收性海水内，气泡的消光效率因子具有谐振结构，但随着尺寸的增加，消光效率因子逐渐趋近于１，而不是２；并且折射率虚部越大，趋近得越快。
对于相同尺寸的气泡，其消光效率因子随海水折射率虚部的增加而减小。
由于吸收效率因子为０，所以散射效率因子等于消光效率因子。
从图１（ｄ）可以看出，吸收介质对气泡的非对称因子的影响较为显著。
随气泡尺寸的增加，非对称因子先呈现下降趋势，小于非吸收介质时的情况，ｚ＜５０时，改变量小于１０％；然后，非对称因子随气泡尺寸增加呈现上升趋势，逐渐大于非吸收介质时的情况，最后趋近于０．９１５，折射率虚部越大，非对称因子趋近得就越快；和非吸收介质内的０．８４５相比，增加了９％左右，这表明吸收介质使前向和后向散射在气泡总的散射中重新分布。
２．２气泡群的相位函数计算气泡群的相位函数需要知道尾流内气泡的尺寸分布情况和单个气泡的相位函数，气泡的尺寸分布情吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究作者：赵卫疆， 苏丽萍， 任德明， 胡孝勇， 曲彦臣， 刘西站， ZHAO Wei-jiang， SU Li-ping， REN De-ming， HU Xiao-yong， QU Yan-chen， LIU Xi-zhan作者单位：赵卫疆,任德明,胡孝勇,曲彦臣,刘西站,ZHAO Wei-jiang,REN De-ming,HU Xiao-yong,QU Yan-chen,LIU Xi-zhan(哈尔滨工业大学,光电子技术研究所,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨,150080)， 苏丽萍,SU Li-ping(哈尔滨工程大学,理学院,哈尔滨,150001)刊名：强激光与粒子束英文刊名：HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS年，卷(期)：2007，19(12)被引用次数：0次1.Davis G E Scattering of light by an air bubble in water 1955(07)2.Marston P L Critical angle scattering by a bubble:physical-optics approximation and observations 1979(09)3.Marston P L Scattering by a bubble in water near the critical angle:interference effects 1981(02)4.Marston P L.Billeue S C.Dean C E Scattering of light by a coated bubble in water near the critical and Brewster scattering angles 19885.Arnott W P.Marston P L Optical glory of small freely rising gas bubbles in water:observed and computed cross-polarized backscattering patterns 1988(04)6.Stramski D Gas microbubbles:an assessment of their significance to light scattering in quiescent seas 19947.Zhang X.Lewis M R.Jonhnson B D Influence of bubbles on scattering of light in the ocean 1998(27)8.Zhang X.Lewis M The volume scattering function of natural bubble populations 2002(05)9.Kokhanovsky A A Optical properties of bubbles 200310.Xia M.Yang K C.Zhang X H Monte Carlo simulation of backscattering signal from bubbles under water 200611.Van de Hulst H C Light scattering by small particles 195712.Wiscombe W J Improved Mie scattering 1980(09)13.Mackowski D W.Alterkirch R A.Menguc M P Internal absorption cross sections in a stratified sphere 1990(10)14.Fu Q.Sun W Mie theory for light scattering by a spherical particle in an absorbing medium2001(09)15.苏丽萍.任德明.曲彦臣舰船尾流散射特性的研究[期刊论文]-激光杂志 2007(01)本文链接：/Periodical_qjgylzs200712010.aspx授权使用：吕先竟(wfxhdx)，授权号：14786bad-ac2d-4e1d-b4cd-9e9900e79cfd下载时间：2011年3月1日无锡伊诺特石化机械设备有限公司为无锡澳驰过滤设备有限公司于2007年4月在中国无锡成立的全资子公司，是国内领先的微米级过滤器供应商之一，同时特别善长于苛刻工况的过滤设计。