四种海水透明度现场测量方法的对比分析及发展趋势研究

任尚书，周树道

（解放军理工大学 南京 211100）

四种海水透明度现场测量方法的对比分析及发展趋势研究

任尚书，周树道

（解放军理工大学 南京 211100）

随着海洋探测的不断发展，海水透明度作为海水光学性质的一个重要参量，也越来越受到人们的关注。文章对比分析了4种海水透明度现场测量方法：透明度盘法［1］、光纤式高光谱剖面测量法［2］、激光衰减测量法［3］和基于双光路原理的海水IOPs高光谱测量法［4］，主要分析了4种方法的测量原理，对比各自的优缺点，并提出了海水透明度测量未来发展设想。

海水透明度；透明度盘；光纤式；高光谱；激光衰减

1 引言

海水透明度能够直接反映出海水的混浊程度和海水对光的吸收和散射程度，是描述海水光学性质的一个重要参量。早在19世纪初，美国海军就已经开始利用透明度盘测量海水透明度了；19世纪末，海洋学家开始研究海水的光学特性，并利用光电方法测量出光在海水中的辐照度。20世纪30年代，瑞典等国的科学家设计了最初的测量海水透明度的光学仪器，用来测定海水的光辐射场分布、衰减系数和散射系数。20世纪60年代，科学家们提出了比较系统的海洋光学辐射传递理论，并根据海水的光学特性是否随光场分布的变化而变化，从而定义了海洋的固有光学特性和表观光学特性。海水光学特性分为表观光学特性（Apparent Optical Properties，AOPs）和固有光学特性（Inherent Optical Properties，IOPs）两种［5－6］。其中固有光学特性包括海水的吸收系数、散射系数和衰减系数，它们不随水下光场分布的变化而变化，只与海水中所含物质成分有关。研究海水透明度对水质监测、水下军事活动等都有着重要影响，如对海水养殖、水下布雷、对潜通信［7］、水下目标探测［8］、水下导弹发射、潜艇的安全、海战场环境建设以及岛礁建设［9］都很有帮助。

目前，海水透明度的测量方法［10］有透明度计法、透明度盘法（塞氏盘）、光学仪器测量法、蓝绿激光雷达测量法以及雷达反演等方法。透明度计法是对被观测海水取样后进行目视测量，由于受量筒长度限制，所测透明度值可信度不高；透明度盘法和光学仪器测量法是比较常用的现场测量方法；蓝绿激光雷达测量法［11］是比较新的技术，由于“蓝绿窗口”的发现，使得该技术得以快速发展，但由于观测成本较高和技术不成熟，所以并未被广泛应用；雷达反演海水透明度［12］也是一种比较新的方法，估算方法主要有经验方法、半分析方法和分析方法等，比较适用于大范围的实时动态观测，但反演的精度不高，反演算法有待提高。本文主要详细介绍几种现场测量方法，并对其优缺点进行论述。

2 4种海水透明度现场测量方法的原理

传统的透明度（海洋学透明度）是指用直径为30cm的白色圆盘（透明度盘），在阳光不能直接照射的地方垂直放入水中，直到刚刚看不见为止，透明度盘“消失”的深度就叫透明度。而光度学透明度是指一束平行光在水中传播一定距离后，其光强I与原来的光强I0之比，可用T表示，即：T＝I／I0。由透明度光度学定义可知，透明度T＝ I／I0，由于光在海水中的衰减规律为I＝I0e－rz，其中r为衰减系数，z为距离。所以如果取z＝1m，则有lnT＝｜r｜。因而，只要测得了透明度，便可通过简单计算得到其衰减系数，衰减系数的倒数L称为衰减长度，即：L＝1／r，它和透明盘所测数据大体一致。

根据海水透明度定义，海水透明度现场测量方法总体分为两个部分：基于海洋学透明度的测量方法和基于光度学透明度的测量方法。基于海洋学透明度的测量方法主要是透明度盘法；基于光度学透明度的测量方法主要有光纤式高光谱剖面测量法、激光衰减测量法和基于双光路原理的海水IOPs测量法等。

2.1 透明度盘法

透明度的海洋学定义即是根据透明度盘法定义的，透明度盘测量的深度，是透明度盘反射、散射及透明度盘以上的水柱及周围海水的散射光相平衡时的结果。所以，透明度盘测得的透明度值是相对透明度。

透明度盘实物和现场测量如图1所示，透明度盘是由较厚的生青铜制成的直径为200～300mm的圆盘，测量时，要保证透明度盘的整洁，避免波浪和直射的阳光，由于塞氏盘的黑色部分可以提供参照，与白色部分形成对比，使用时比白色透明度盘要便于观察，因此塞氏盘是应用最多的透明度盘。在读取绳索的标记数值时，若数值在1m以内，记录的结果应该精确到0.01m；1m以上深度时，记录的结果可以精确到0.1m。

图1 透明度盘实物和现场测量

2.2 光纤式高光谱剖面测量法

光纤式高光谱剖面测量法的设计原理大体一致，都是通过光纤将水下的光信号引至水面上的光谱仪内进行测量［13］。光谱仪的高光谱特性［14］可以把宽波段的光分成多段频率不同且带宽较窄的光束，来观测不同波段光在剖面上的传输特性，得到剖面上的光度学透明度值，同时由于其垂直观测特性，所以又可以较为直观地和传统透明度联系在一起。

剖面仪测量系统主要由水下探头、光纤、水面浮子、硬质拉杆和光谱仪等组成。通过硬质连杆令浮子系统远离船体（无阴影一侧），光纤的一端连接表面光谱仪，另一端通过硬质连杆连接探头，水下探头部分采集的光信号通过光纤传到船上的光谱仪中，从而实现水下剖面光谱的测量。

剖面仪水下测量系统如图2所示，主要包括光纤探头、齿轮马达、漫反射板、液位计和尾舵。光纤探头用于光线的采集；漫反射板可以改变下行光的方向，使其向上任意方向漫反射；齿轮马达可以保证漫反射板在水平面上做圆周运动，从而实现上行光和下行光测量的自动切换；液位计可以测量水下探头的实际深度；尾舵则用于控制水下探头的角度，由于海水是运动的，为了保证探头指向的确定性，我们在水下探头中轴线上加一横向伸出的横杆，横杆上加装一面方向可调的尾舵，由于水流的作用，使尾舵总是指向水流的运动方向，从而实现探头水平分量总是指向同一个方向。

图2 剖面仪水下测量系统

将仪器放入水中的某一深度后，首先测量上行光，上行光可通过光纤探头直接进入表面光谱仪。如图3所示，探头下方1cm处有一个反射率为100%的漫反射板，下行光可以通过漫反射板向任意方向漫反射，该漫反射板可以利用马达在水平面上做圆周运动，实现自动切换，当漫反射板位于探头的正下方时，就会有一定下行光进入探头，实现对下行光的测量，得到在不同水深处的总光强，从而得到整个剖面上不同深处的海水衰减系数，再经简单推算就可得到传统透明度值。

图3 剖面仪上行光、下行光测量示意图

光谱仪光学系统包括光纤（狭缝）、准直系统、色散系统、成像系统和光谱接收系统。待分析信号通过光纤进入准直系统，然后经色散系统进行分光，色散系统是该光学系统的核心部分。成像部分采用线阵CCD成像，单通道光谱仪经色散系统后形成一列色散的狭缝像，就可以直接用CCD接收成像；而在多通道光谱仪中，多个狭缝经色散系统后会形成多列色散的狭缝像，此时需要配合扫描运动才可以用CCD接收完整的图像。

2.3 激光衰减测量法

激光衰减仪是测量海水光度学透明度中比较经典的仪器，其原理如图4所示。该装置的水下测量部件主要由小功率激光器、倒置望远镜、分光片、两个狭缝光栏、两台水下照度计和水密壳体等组成。激光器发射的激光光束通过倒置的望远镜进行准直，然后经过分光片分光，其中，一半的光能量透过分光片进入1.5m长的水介质后，通过光栏被照度计2所接收；另一半的光经过分光片反射进入0.5m长的水介质中，最后通过光栏被照度计1所采集，因为两束光通过的水介质相差1m，所以将两个照度计收集到的光强相比，便可得到光度学透明度值［15］。

2.4 基于双光路原理的海水IOPs高光谱测量法

地震解释者应该决定哪个模型最具地质合理性。Grad等（2003）也提供了一个模拟主观性的很好例子，其中使用不同的模拟软件（SEIS83与RAYINVR）得出了截然不同的地壳模型。

图4 激光衰减仪原理图

双光路IOPs高光谱测量仪原理如图5所示。光源发出的光经三叉光纤输出，其中一路为参照光信号，直接由光谱仪的从通道测量；另外两路光束通过透镜准直成平行光束，分别进入吸收系数测量池和衰减系数测量池，透射光经透镜聚焦后，分别通过光谱仪的主、从通道进入光谱仪实现高光谱测量。

图5 双光路IOPs高光谱测量仪原理图

吸收系数测量池如图6所示。吸收系数测量池的流通管是反射式的石英管［16］，流通管的外壁镀有一层银膜，使其内壁具有很高的反射特性，其反射率可以高达95%，可把散射光反射回测量水体。因此，光在测量池中的衰减仅由吸收造成，反映出被测水体的吸收特性。在石英管的最外面涂有环氧树脂来保护银膜，以延长其使用寿命。

相反，衰减系数测量池的流通管是全吸收式的石英管，管壁具有很好地吸收能力，可以完全吸收散射到管壁上的光。因此，光在测量池中的衰减包含吸收和散射，通过与光纤传递的光信号作比较，便可反映出水体的衰减特性。

3 4种测量方法的优缺点对比

根据海水透明度的特点，主要从测量精度、可靠性、适用性以及可行性等方面对4种海水透明度现场测量方法作对比分析，并从不同角度对其应用作了简要对比分析。

图6 吸收系数测量池示意图

3.1 透明度盘法

优点：透明度盘法是应用最早且最广泛的现场测量方法。其最大的优点就是仪器操作简单、成本较低且结果观察比较直观，个人便可完成水样的测量。

缺点：①深度分辨率较低，一般只能精确到0.1m。②数据可靠性比较低，容易受周围环境影响，测量深度为相对透明度，与光学器件所测的透明度值相差比较大。③局限性比较大。无法测出水平方向上的透明度值且只能定点测量。④主观性比较强。观测结果与人眼的近视程度有很大关系，缺少客观性。

优点：①测量精度高。采用的压深传感器精度可以达到厘米级，若是采用更加先进的传感器，精度可以达到微米级甚至更高。②数值可靠性高，测深数据来源于压力传感器，受海面波浪及水流影响较小，即使绳索发生小幅度倾斜，对测量结果影响也不大。③适用性更广泛。该仪器不仅能够测量不同波段光线在垂直方向不同深度水层上的衰减情况，同时还可以得到光线消失的真实深度，与传统透明度有直观的联系。

缺点：①与透明度盘测量相比，其成本较高且操作复杂。为了保证光纤探头不被自己的阴影覆盖，就必须让光纤探头水平方向上的分量与太阳入射方向水平分量相互垂直，所以在入水前要根据太阳的光线来调整探头的角度。②对现场测量环境要求较高，测量时需要保证探头远离船体，以免受到船底的影响；且每次测量时间不宜过长，以保证入水光强相似。③仪器自身会有干扰电流的产生，当光线较弱时，弱信号容易被干扰信号所覆盖。

3.3 激光衰减测量法

优点：①直接测得海水的光度学透明度值，数据测量速度快，准确度比较高且精度较高。②该设备不受时间、天气的影响，测量装置由自带的光源提供光线，测量可以在夜间进行，突破了光对仪器使用的限制，可进行全天候透明度测量。③该装置测量深度比较深，一般测量深度可以达到300m以上。④测量海水任意方向上的透明度，测量的数据还可以转换成衰减长度，从而得到垂直方向上的传统透明度值。

缺点：①由于不同波长的光线在海水中的衰减程度不同，而该装置采用的是激光光源，光束波长比较单一，带宽较窄，因此通过该光源测得的海水透明度只能表示该波段光的透明度情况，不能代表其他波长光源的海水透明度，如果需要精确测量其他波长光源的透明度，则需要调整激光器的输出波长或更换激光器，如需测量可见光的透明度，则需要用光波带宽较宽的平行光管作为光源。②该装置只能测量光在海水中的衰减情况，不能直接体现其吸收和散射情况。

3.4 基于双光路原理的海水IOPs高光谱测量法

优点：①该测量方法测量结果精度高、测量深度比较深，可以达到500m甚至更深。如由美国WET Labs公司生产的AC－S高光谱吸收衰减仪［17］，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。②采用微型光谱仪实现高光谱数据分析，同时可以直接得到海水吸收系数、衰减系数和散射系数。③由于采用密闭反射管，可避免外界环境光的干扰，增加了仪器在恶劣海洋环境下使用的可靠性。

缺点：①该测量方法可以直接测量光度学的海水透明度，海洋学的透明度测量只能根据数据进行推算，推算过程比较繁琐。②仪器对材料要求较高，仪器的高性能也就伴随着高成本，现在国内此类仪器还处于研发阶段，实用仪器一般由国外引进，价格昂贵。

通过优缺点分析，可以得出以下结论：①透明度盘法作为直接测量传统透明度的唯一方法，因其操作简单、成本较低，且满足了民用领域精度不高的需求，而被广泛使用。光纤式高光谱剖面测量法所测光线消失深度与传统透明度存在直接的联系，因此在军事领域可以替代透明度盘法，满足其高精度的要求。②对比光度学透明度测量方法，3种测量方法精度都很高，但光纤式高光谱剖面测量法只能测量剖面，无法测得其他方向上的数值，且利用太阳光，因此受太阳光强影响较大；激光衰减测量法原理教简单，但可研究的光带宽较窄；IOPs高光谱测量法所研究的内容较多，但对材料要求比较高，价格更昂贵，所以前两种测量方法更倾向于现场测量，而IOPs高光谱测量仪更适合于做检定仪器。③透明度盘法只能测量海洋学透明度，在海洋调查中有一定局限性；其余3种方法属于光电仪器检测方法，且都可以得到两种透明度值的数据，可以为卫星反演或者军事应用提供更为详细的基础数据。

4 现场测量方法未来发展设想

本文所述的现场测量方法可以达到的测量精度已经很高，但仍存在一些弊端。①所有的现场测量方法都只能定点测量，不适合海水透明度的大范围长时间监测，否则成本就会特别高；②测量时需要把船作为搭载平台，数据处理模块也一般放置在船上，不仅光学仪器自身的电信号以及信息的回传会产生干扰和误差，而且测量时受周围环境影响比较大，对于一些船只无法到达的水域和敏感海域以及当海面环境比较恶劣时，测量工作将无法正常进行。因此，有必要对现场测量方法进行一些改进或者发展其他的测量方法。

针对现在测量方式的弊端，做出以下设想：①水下测量方法的发展势在必行。不单是探测部分而是整个测量装置都置于水下，不仅可以提高测量的精度，免受海面环境的影响，而且还可以增加测量的隐蔽性，可以精准测量任何海域的透明度值，为潜艇提供精确的安全潜行深度，以保证战时需求。②发展走航式测量方法。当前测量方法不能满足走航式测量的要求，只能进行定点测量，发展走航式测量方法可以节约测量和成本，减少了定点测量数据代表整个区域多带来的误差。③发展抛弃式测量方法。抛弃式测量方法作为一种新兴技术，可以用于测量环境非常恶劣的情况，特别是空投式，无需人员到达现场，避免了恶劣环境对人员安全造成的威胁，战时此类方式优势明显。④迫切需要低功耗、长时间测量方法。现在的光学测量方法使用光谱仪或自带光源能量消耗都比较大，测量可维持时间比较短，不能对某一定点进行长时间精确观测，因此低功耗甚至无功耗的测量仪器是现在的一个发展趋势。

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Comparison Analysis and Developing Trend of Four Methods for the Seawater Transparency Field Measurement

REN Shangshu，ZHOU Shudao

（PLA University of Science and Technology，Nanjing 211100，China）

With the continuous development of marine exploration，sea water transparency has been growing concern as the optical properties of an important parameter.This paper compared and analyzed the four methods for the seawater transparency field measurement，including transparency disk method，optical fiber type high spectral profile measurement method，laser attenuation measurement method and IOPs hyperspectral measurement method based on double optical path principle.The measurement principle of the four methods was primarily analyzed.Comparing the advantages and disadvantages of each method，the future developing ideas for seawater transparency measuring were also put forward.

Sea water transparency，Transparency disk，Optical fiber，High spectrum，Laser attenuation

P731.14

A

1005－9857（2017）03－0099－06

2016－08－30；

2016－11－30

任尚书，硕士研究生，研究方向为信息与通信工程，电子信箱：510260307＠qq.com

周树道，教授，研究方向为信息与通信工程，电子信箱：zhousd70131＠sina.com