任尚書，周樹道

（解放軍理工大學 南京 211100）

四種海水透明度現(xiàn)場測量方法的對比分析及發(fā)展趨勢研究

任尚書，周樹道

（解放軍理工大學 南京 211100）

隨著海洋探測的不斷發(fā)展，海水透明度作為海水光學性質的一個重要參量，也越來越受到人們的關注。文章對比分析了4種海水透明度現(xiàn)場測量方法：透明度盤法［1］、光纖式高光譜剖面測量法［2］、激光衰減測量法［3］和基于雙光路原理的海水IOPs高光譜測量法［4］，主要分析了4種方法的測量原理，對比各自的優(yōu)缺點，并提出了海水透明度測量未來發(fā)展設想。

海水透明度；透明度盤；光纖式；高光譜；激光衰減

1 引言

海水透明度能夠直接反映出海水的混濁程度和海水對光的吸收和散射程度，是描述海水光學性質的一個重要參量。早在19世紀初，美國海軍就已經(jīng)開始利用透明度盤測量海水透明度了；19世紀末，海洋學家開始研究海水的光學特性，并利用光電方法測量出光在海水中的輻照度。20世紀30年代，瑞典等國的科學家設計了最初的測量海水透明度的光學儀器，用來測定海水的光輻射場分布、衰減系數(shù)和散射系數(shù)。20世紀60年代，科學家們提出了比較系統(tǒng)的海洋光學輻射傳遞理論，并根據(jù)海水的光學特性是否隨光場分布的變化而變化，從而定義了海洋的固有光學特性和表觀光學特性。海水光學特性分為表觀光學特性（Apparent Optical Properties，AOPs）和固有光學特性（Inherent Optical Properties，IOPs）兩種［5－6］。其中固有光學特性包括海水的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和衰減系數(shù)，它們不隨水下光場分布的變化而變化，只與海水中所含物質成分有關。研究海水透明度對水質監(jiān)測、水下軍事活動等都有著重要影響，如對海水養(yǎng)殖、水下布雷、對潛通信［7］、水下目標探測［8］、水下導彈發(fā)射、潛艇的安全、海戰(zhàn)場環(huán)境建設以及島礁建設［9］都很有幫助。

目前，海水透明度的測量方法［10］有透明度計法、透明度盤法（塞氏盤）、光學儀器測量法、藍綠激光雷達測量法以及雷達反演等方法。透明度計法是對被觀測海水取樣后進行目視測量，由于受量筒長度限制，所測透明度值可信度不高；透明度盤法和光學儀器測量法是比較常用的現(xiàn)場測量方法；藍綠激光雷達測量法［11］是比較新的技術，由于“藍綠窗口”的發(fā)現(xiàn)，使得該技術得以快速發(fā)展，但由于觀測成本較高和技術不成熟，所以并未被廣泛應用；雷達反演海水透明度［12］也是一種比較新的方法，估算方法主要有經(jīng)驗方法、半分析方法和分析方法等，比較適用于大范圍的實時動態(tài)觀測，但反演的精度不高，反演算法有待提高。本文主要詳細介紹幾種現(xiàn)場測量方法，并對其優(yōu)缺點進行論述。

2 4種海水透明度現(xiàn)場測量方法的原理

傳統(tǒng)的透明度（海洋學透明度）是指用直徑為30cm的白色圓盤（透明度盤），在陽光不能直接照射的地方垂直放入水中，直到剛剛看不見為止，透明度盤“消失”的深度就叫透明度。而光度學透明度是指一束平行光在水中傳播一定距離后，其光強I與原來的光強I0之比，可用T表示，即：T＝I／I0。由透明度光度學定義可知，透明度T＝ I／I0，由于光在海水中的衰減規(guī)律為I＝I0e－rz，其中r為衰減系數(shù)，z為距離。所以如果取z＝1m，則有l(wèi)nT＝｜r｜。因而，只要測得了透明度，便可通過簡單計算得到其衰減系數(shù)，衰減系數(shù)的倒數(shù)L稱為衰減長度，即：L＝1／r，它和透明盤所測數(shù)據(jù)大體一致。

根據(jù)海水透明度定義，海水透明度現(xiàn)場測量方法總體分為兩個部分：基于海洋學透明度的測量方法和基于光度學透明度的測量方法?；诤Ｑ髮W透明度的測量方法主要是透明度盤法；基于光度學透明度的測量方法主要有光纖式高光譜剖面測量法、激光衰減測量法和基于雙光路原理的海水IOPs測量法等。

2.1 透明度盤法

透明度的海洋學定義即是根據(jù)透明度盤法定義的，透明度盤測量的深度，是透明度盤反射、散射及透明度盤以上的水柱及周圍海水的散射光相平衡時的結果。所以，透明度盤測得的透明度值是相對透明度。

透明度盤實物和現(xiàn)場測量如圖1所示，透明度盤是由較厚的生青銅制成的直徑為200～300mm的圓盤，測量時，要保證透明度盤的整潔，避免波浪和直射的陽光，由于塞氏盤的黑色部分可以提供參照，與白色部分形成對比，使用時比白色透明度盤要便于觀察，因此塞氏盤是應用最多的透明度盤。在讀取繩索的標記數(shù)值時，若數(shù)值在1m以內，記錄的結果應該精確到0.01m；1m以上深度時，記錄的結果可以精確到0.1m。

圖1 透明度盤實物和現(xiàn)場測量

2.2 光纖式高光譜剖面測量法

光纖式高光譜剖面測量法的設計原理大體一致，都是通過光纖將水下的光信號引至水面上的光譜儀內進行測量［13］。光譜儀的高光譜特性［14］可以把寬波段的光分成多段頻率不同且?guī)捿^窄的光束，來觀測不同波段光在剖面上的傳輸特性，得到剖面上的光度學透明度值，同時由于其垂直觀測特性，所以又可以較為直觀地和傳統(tǒng)透明度聯(lián)系在一起。

剖面儀測量系統(tǒng)主要由水下探頭、光纖、水面浮子、硬質拉桿和光譜儀等組成。通過硬質連桿令浮子系統(tǒng)遠離船體（無陰影一側），光纖的一端連接表面光譜儀，另一端通過硬質連桿連接探頭，水下探頭部分采集的光信號通過光纖傳到船上的光譜儀中，從而實現(xiàn)水下剖面光譜的測量。

剖面儀水下測量系統(tǒng)如圖2所示，主要包括光纖探頭、齒輪馬達、漫反射板、液位計和尾舵。光纖探頭用于光線的采集；漫反射板可以改變下行光的方向，使其向上任意方向漫反射；齒輪馬達可以保證漫反射板在水平面上做圓周運動，從而實現(xiàn)上行光和下行光測量的自動切換；液位計可以測量水下探頭的實際深度；尾舵則用于控制水下探頭的角度，由于海水是運動的，為了保證探頭指向的確定性，我們在水下探頭中軸線上加一橫向伸出的橫桿，橫桿上加裝一面方向可調的尾舵，由于水流的作用，使尾舵總是指向水流的運動方向，從而實現(xiàn)探頭水平分量總是指向同一個方向。

圖2 剖面儀水下測量系統(tǒng)

將儀器放入水中的某一深度后，首先測量上行光，上行光可通過光纖探頭直接進入表面光譜儀。如圖3所示，探頭下方1cm處有一個反射率為100%的漫反射板，下行光可以通過漫反射板向任意方向漫反射，該漫反射板可以利用馬達在水平面上做圓周運動，實現(xiàn)自動切換，當漫反射板位于探頭的正下方時，就會有一定下行光進入探頭，實現(xiàn)對下行光的測量，得到在不同水深處的總光強，從而得到整個剖面上不同深處的海水衰減系數(shù)，再經(jīng)簡單推算就可得到傳統(tǒng)透明度值。

圖3 剖面儀上行光、下行光測量示意圖

光譜儀光學系統(tǒng)包括光纖（狹縫）、準直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和光譜接收系統(tǒng)。待分析信號通過光纖進入準直系統(tǒng)，然后經(jīng)色散系統(tǒng)進行分光，色散系統(tǒng)是該光學系統(tǒng)的核心部分。成像部分采用線陣CCD成像，單通道光譜儀經(jīng)色散系統(tǒng)后形成一列色散的狹縫像，就可以直接用CCD接收成像；而在多通道光譜儀中，多個狹縫經(jīng)色散系統(tǒng)后會形成多列色散的狹縫像，此時需要配合掃描運動才可以用CCD接收完整的圖像。

2.3 激光衰減測量法

激光衰減儀是測量海水光度學透明度中比較經(jīng)典的儀器，其原理如圖4所示。該裝置的水下測量部件主要由小功率激光器、倒置望遠鏡、分光片、兩個狹縫光欄、兩臺水下照度計和水密殼體等組成。激光器發(fā)射的激光光束通過倒置的望遠鏡進行準直，然后經(jīng)過分光片分光，其中，一半的光能量透過分光片進入1.5m長的水介質后，通過光欄被照度計2所接收；另一半的光經(jīng)過分光片反射進入0.5m長的水介質中，最后通過光欄被照度計1所采集，因為兩束光通過的水介質相差1m，所以將兩個照度計收集到的光強相比，便可得到光度學透明度值［15］。

2.4 基于雙光路原理的海水IOPs高光譜測量法

地震解釋者應該決定哪個模型最具地質合理性。Grad等（2003）也提供了一個模擬主觀性的很好例子，其中使用不同的模擬軟件（SEIS83與RAYINVR）得出了截然不同的地殼模型。

圖4 激光衰減儀原理圖

雙光路IOPs高光譜測量儀原理如圖5所示。光源發(fā)出的光經(jīng)三叉光纖輸出，其中一路為參照光信號，直接由光譜儀的從通道測量；另外兩路光束通過透鏡準直成平行光束，分別進入吸收系數(shù)測量池和衰減系數(shù)測量池，透射光經(jīng)透鏡聚焦后，分別通過光譜儀的主、從通道進入光譜儀實現(xiàn)高光譜測量。

圖5 雙光路IOPs高光譜測量儀原理圖

吸收系數(shù)測量池如圖6所示。吸收系數(shù)測量池的流通管是反射式的石英管［16］，流通管的外壁鍍有一層銀膜，使其內壁具有很高的反射特性，其反射率可以高達95%，可把散射光反射回測量水體。因此，光在測量池中的衰減僅由吸收造成，反映出被測水體的吸收特性。在石英管的最外面涂有環(huán)氧樹脂來保護銀膜，以延長其使用壽命。

相反，衰減系數(shù)測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，光在測量池中的衰減包含吸收和散射，通過與光纖傳遞的光信號作比較，便可反映出水體的衰減特性。

3 4種測量方法的優(yōu)缺點對比

根據(jù)海水透明度的特點，主要從測量精度、可靠性、適用性以及可行性等方面對4種海水透明度現(xiàn)場測量方法作對比分析，并從不同角度對其應用作了簡要對比分析。

圖6 吸收系數(shù)測量池示意圖

3.1 透明度盤法

優(yōu)點：透明度盤法是應用最早且最廣泛的現(xiàn)場測量方法。其最大的優(yōu)點就是儀器操作簡單、成本較低且結果觀察比較直觀，個人便可完成水樣的測量。

缺點：①深度分辨率較低，一般只能精確到0.1m。②數(shù)據(jù)可靠性比較低，容易受周圍環(huán)境影響，測量深度為相對透明度，與光學器件所測的透明度值相差比較大。③局限性比較大。無法測出水平方向上的透明度值且只能定點測量。④主觀性比較強。觀測結果與人眼的近視程度有很大關系，缺少客觀性。

優(yōu)點：①測量精度高。采用的壓深傳感器精度可以達到厘米級，若是采用更加先進的傳感器，精度可以達到微米級甚至更高。②數(shù)值可靠性高，測深數(shù)據(jù)來源于壓力傳感器，受海面波浪及水流影響較小，即使繩索發(fā)生小幅度傾斜，對測量結果影響也不大。③適用性更廣泛。該儀器不僅能夠測量不同波段光線在垂直方向不同深度水層上的衰減情況，同時還可以得到光線消失的真實深度，與傳統(tǒng)透明度有直觀的聯(lián)系。

缺點：①與透明度盤測量相比，其成本較高且操作復雜。為了保證光纖探頭不被自己的陰影覆蓋，就必須讓光纖探頭水平方向上的分量與太陽入射方向水平分量相互垂直，所以在入水前要根據(jù)太陽的光線來調整探頭的角度。②對現(xiàn)場測量環(huán)境要求較高，測量時需要保證探頭遠離船體，以免受到船底的影響；且每次測量時間不宜過長，以保證入水光強相似。③儀器自身會有干擾電流的產(chǎn)生，當光線較弱時，弱信號容易被干擾信號所覆蓋。

3.3 激光衰減測量法

優(yōu)點：①直接測得海水的光度學透明度值，數(shù)據(jù)測量速度快，準確度比較高且精度較高。②該設備不受時間、天氣的影響，測量裝置由自帶的光源提供光線，測量可以在夜間進行，突破了光對儀器使用的限制，可進行全天候透明度測量。③該裝置測量深度比較深，一般測量深度可以達到300m以上。④測量海水任意方向上的透明度，測量的數(shù)據(jù)還可以轉換成衰減長度，從而得到垂直方向上的傳統(tǒng)透明度值。

缺點：①由于不同波長的光線在海水中的衰減程度不同，而該裝置采用的是激光光源，光束波長比較單一，帶寬較窄，因此通過該光源測得的海水透明度只能表示該波段光的透明度情況，不能代表其他波長光源的海水透明度，如果需要精確測量其他波長光源的透明度，則需要調整激光器的輸出波長或更換激光器，如需測量可見光的透明度，則需要用光波帶寬較寬的平行光管作為光源。②該裝置只能測量光在海水中的衰減情況，不能直接體現(xiàn)其吸收和散射情況。

3.4 基于雙光路原理的海水IOPs高光譜測量法

優(yōu)點：①該測量方法測量結果精度高、測量深度比較深，可以達到500m甚至更深。如由美國WET Labs公司生產(chǎn)的AC－S高光譜吸收衰減儀［17］，是目前國際海洋光學和海色遙感界公認的吸收系數(shù)和衰減系數(shù)現(xiàn)場測量標準儀器。②采用微型光譜儀實現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)分析，同時可以直接得到海水吸收系數(shù)、衰減系數(shù)和散射系數(shù)。③由于采用密閉反射管，可避免外界環(huán)境光的干擾，增加了儀器在惡劣海洋環(huán)境下使用的可靠性。

缺點：①該測量方法可以直接測量光度學的海水透明度，海洋學的透明度測量只能根據(jù)數(shù)據(jù)進行推算，推算過程比較繁瑣。②儀器對材料要求較高，儀器的高性能也就伴隨著高成本，現(xiàn)在國內此類儀器還處于研發(fā)階段，實用儀器一般由國外引進，價格昂貴。

通過優(yōu)缺點分析，可以得出以下結論：①透明度盤法作為直接測量傳統(tǒng)透明度的唯一方法，因其操作簡單、成本較低，且滿足了民用領域精度不高的需求，而被廣泛使用。光纖式高光譜剖面測量法所測光線消失深度與傳統(tǒng)透明度存在直接的聯(lián)系，因此在軍事領域可以替代透明度盤法，滿足其高精度的要求。②對比光度學透明度測量方法，3種測量方法精度都很高，但光纖式高光譜剖面測量法只能測量剖面，無法測得其他方向上的數(shù)值，且利用太陽光，因此受太陽光強影響較大；激光衰減測量法原理教簡單，但可研究的光帶寬較窄；IOPs高光譜測量法所研究的內容較多，但對材料要求比較高，價格更昂貴，所以前兩種測量方法更傾向于現(xiàn)場測量，而IOPs高光譜測量儀更適合于做檢定儀器。③透明度盤法只能測量海洋學透明度，在海洋調查中有一定局限性；其余3種方法屬于光電儀器檢測方法，且都可以得到兩種透明度值的數(shù)據(jù)，可以為衛(wèi)星反演或者軍事應用提供更為詳細的基礎數(shù)據(jù)。

4 現(xiàn)場測量方法未來發(fā)展設想

本文所述的現(xiàn)場測量方法可以達到的測量精度已經(jīng)很高，但仍存在一些弊端。①所有的現(xiàn)場測量方法都只能定點測量，不適合海水透明度的大范圍長時間監(jiān)測，否則成本就會特別高；②測量時需要把船作為搭載平臺，數(shù)據(jù)處理模塊也一般放置在船上，不僅光學儀器自身的電信號以及信息的回傳會產(chǎn)生干擾和誤差，而且測量時受周圍環(huán)境影響比較大，對于一些船只無法到達的水域和敏感海域以及當海面環(huán)境比較惡劣時，測量工作將無法正常進行。因此，有必要對現(xiàn)場測量方法進行一些改進或者發(fā)展其他的測量方法。

針對現(xiàn)在測量方式的弊端，做出以下設想：①水下測量方法的發(fā)展勢在必行。不單是探測部分而是整個測量裝置都置于水下，不僅可以提高測量的精度，免受海面環(huán)境的影響，而且還可以增加測量的隱蔽性，可以精準測量任何海域的透明度值，為潛艇提供精確的安全潛行深度，以保證戰(zhàn)時需求。②發(fā)展走航式測量方法。當前測量方法不能滿足走航式測量的要求，只能進行定點測量，發(fā)展走航式測量方法可以節(jié)約測量和成本，減少了定點測量數(shù)據(jù)代表整個區(qū)域多帶來的誤差。③發(fā)展拋棄式測量方法。拋棄式測量方法作為一種新興技術，可以用于測量環(huán)境非常惡劣的情況，特別是空投式，無需人員到達現(xiàn)場，避免了惡劣環(huán)境對人員安全造成的威脅，戰(zhàn)時此類方式優(yōu)勢明顯。④迫切需要低功耗、長時間測量方法?，F(xiàn)在的光學測量方法使用光譜儀或自帶光源能量消耗都比較大，測量可維持時間比較短，不能對某一定點進行長時間精確觀測，因此低功耗甚至無功耗的測量儀器是現(xiàn)在的一個發(fā)展趨勢。

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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

任尚書，碩士研究生，研究方向為信息與通信工程，電子信箱：510260307＠qq.com

周樹道，教授，研究方向為信息與通信工程，電子信箱：zhousd70131＠sina.com