水的光学特性及其对水下成像分析

徐凯

摘 要：水的光学特性对光学成像质量有着重要的影响，水对光的吸收、散射作用可造成光在水介质传播中的衰减，本文就水的光学特性及其对水下光学成像质量的影响进行了分析，以为成像系统在水下的应用提供基础的理论依据。

关键词：水；光学特性；水下成像

水下光学成像技术是当前探索水下奥秘的基本方法之一，在生物学、地质学、港口工程等多个领域内有重要的意义，但由于水本身的性质，其作为介质时的光学性质与空气有所不同，光线在水下传播时水体对光线的吸收和后向散射会造成很大的图像噪声，降低图像质量，加之传输距离有限，一般的成像系统在水中使用时像差会发生变化，色差和畸变明显增大，成像质量差，图像清晰度低，因此有必要对水的光学特性及其对水下光学成像质量的影响进行研究，以为适用于水下环境的特殊成像系统的研制提供理论基础。

一、水的光学特性

光在水介质和空气介质中的传输有着较大的差异，介质的密度对光的吸收和散射有着很大的影响，空气的密度小因而对光的吸收和散射也相对较小，水的密度为空气的800多倍，对可见光有着严重的吸收和散射作用。水对光波的散射和吸收可造成光在水中的衰减，即使是在最纯净的水中，水对光也有着严重的衰减，且是按指数规律迅速衰减，水介质对光的衰减特性通常是使用衰减长度表示。

（一）水对光的选择吸收特性

水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的，具有明显的选择性。水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收，在可见光谱区段，吸收最大的分别是红色、黄色和淡绿光谱区域。纯净水和清的大洋水在光谱的蓝-绿区域透射比量大，其中波长为462-475nm的蓝光衰减最少。但在这个蓝-绿窗口，水的吸收也足以使光的强度每米衰减约百分之四。其它颜色的光被吸收得更多，几米之外几乎完全消失了。

（二）水对光的散射特性

如果水下仅存在对光能量的吸收，可以通过加大照明光源功率来提高水下成像距离，但水对光的散射现象随着照明的增强更趋严重，使水下成像更为困难。水中光散射是指光在水中传播时，受到介质微粒的作用，偏离原来直线传播的方向。水中散射有两种，即纯水本身产生的散射和由悬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。比入射光波长小很多的无吸收粒子的散射遵从瑞利定律，散射粒子的大小接近于入射光的波长时，存在着一个比较复杂的共振状态，称为米氏散射。

二、水的光学特性对水下光学成像质量的影响

（一）水中光衰减对光学成像的影响

光在水中的衰减是在吸收和散射这两个不相关的物理过程作用下发生的，光子消失的过程称为吸收，被吸收的光子转化为热能从光束中被吸收，光子前进方向发生变化称为散射，除散射粒子外，水折射率的微小变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叠加入光束中，通常水对光的散射引起的光衰减多于水对光的吸收引起的光衰减，在清澈透明的水中，水中光衰减有60%是由散射引起，40%为吸收引起，而在浑浊的水中，由于悬浮粒子的增加，水对光散射增强，由散射引起的光衰减还会增加。

（二）水中光的吸收特性对光学成像的影响

水分子是极化分子，在紫外和红外谱带上有着强烈的由电子激发的紫外共振和由分子激发的红外共振，因此对此区域吸收强烈，尤其是对红外的吸收十分强烈。水对光吸收宽带效应使得光在水中传播时虽然不存在光在空气传播中存在的“窗口”，但在蓝绿区域水对光的吸收达到最小值，习惯上将此区域认为是光在水中传播时的“窗口”。

光束在水中传播时，水对光的选择性吸收，使得白光照射下，随着拍摄物体所处深度的增加其颜色也会发生变化，通常在水下1-2m内近距离拍摄时，物体的颜色基本可以较好地反映出来，而超过2m后被拍摄物体的颜色就会发生变化，一般在水下6m时红色就会基本消失，在水下20m时黄色会消失，同时红色会变成黑色，在30m时物体基本完全变成蓝色或者蓝绿色。

（三）水中光的散射特性对光学成像的影响

水对光的散射可对成像距离增加困难，使图像对比度下降，随着成像距离的增大，水下成像的画面反差随之降低，细节画面也会随距离增加而更模糊。

水对光的散射系数与散射粒子的大小相关，水中散射粒子的大小分布是不一致的，水分子、可溶性物质、悬浮的无机颗粒、微生物等可对光产生散射作用的粒子大小从零点几纳米到几毫米不等，对于水分子来说，其对光的散射遵循瑞利散射规律，即是散射光强B与入射波长λ的四次方成反比。

在波长为480nm时，水分子引起的瑞利散射衰减系数约为0.004m-1，而纯净的蒸馏水光束的有效衰竭系数约为0.037m-1，可知水分子的瑞利散射衰减只是水中光衰减中的一小部分。

水中对光束可产生散射作用的散射粒子直径与入射光波长接近时，散射粒子对光的散射存在着一个复杂的共振状态，此时散射光强与波长几乎没有关系，而遵循米氏散射定律，其衰减系数SM以公式可表示为：

式中R表示散射粒子半径，N为每立方米水体中的离子数，Ks为实际散射截面与几何截面的比值，当散射粒子的尺度远大于波长时，近似考虑为散射截面与几何截面相等，即Ks取1。

（四）水中照明对光学成像的影响

水中照明有自然光源和人工光源，自然光源在水中传播时，随着深度增加更为分散直至趋于只与天顶角相关的渐进分布，在浅层水摄影中，若天气为晴朗的白天，则自然光所提供的照明已足够进行水下拍摄，而在深层水拍摄或夜晚摄影时，水下的光照度很低，水下使用成像系统时绝大多数情况下需要照明系统，因此有必要将水下照明对光学成像的影响进行考虑。

三、结语

水对光波有着吸收和散射作用，可造成光在水中的衰减，水对光的选择性吸收可使水下拍摄物体的颜色随着其所处深度的增加而发生变化，水对光的散射可降低像的衬度，使成像系统不能接受到有用的信息。在设计成像系统时应充分认识得到水的光学特性对水下光学成像的影响，提高系统设计的针对性，从而提高水下成像系统整体性能。

参考文献：

[1]邵建岗.基于非均匀光场的水下图像去噪研究[D].中国海洋大学，2011.

[2]刘晓光.基于水下图像增强滤波方法的研究[D].中国海洋大学，2010.

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