水下光学与成像

本书对水下光学与成像的关键原理、技术及其应用进行了综述。《水下光学与成像》分为三个部分共21章。第一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研究的发展史。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、水体中有色可溶性有机物和其他营养物质的评估方法、水下生物发光特性以及有害藻华等对水体的影响，还总结了用于研究海洋环境中悬浮沉积物、湍流和混合物的光学技术。第三部分回顾了光学成像的基本原理，介绍了几种典型的水下成像技术，如数字全息、激光线扫描、流速测量、三维成像等，还概述了拉曼光谱、光纤传感、水下激光雷达、水下高光谱成像、水下荧光测量技术等在海洋观测、环境保护和资源开发等方面的应用。

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近期新成果 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 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 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 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量 286 
14.6 致谢 286 
参考文献 286 
第15章 水下三维视觉、测距和距离选通 293 
15.1 引言 293 
15.2 水下激光三维视觉基础 294 
15.2.1 构建应用 294 
 15.2.2 海水作为噪声信道 295 
15.2.3 性能评估 296 
15.3 水下三角测量系统 297 
15.3.1 基本原理与方法 297 
15.3.2 系统性能 300 
15.4 水下调制/解调技术 302 
15.4.1 基本原理 302 
15.4.2 系统性能 304 
15.5 水下飞行时间系统 306 
15.5.1 基本原理 307 
15.5.2 系统性能 308 
15.6 水下距离选通 310 
15.7 小结 312 
15.8 更多资料来源和建议 313 
15.9 致谢 313 
参考文献 313 
第16章 拉曼光谱在水下的应用 316 
16.1 引言 316 
16.2 拉曼效应简史 317 
16.3 拉曼光谱物理学 318 
16.4 海洋拉曼光谱仪的要求 319 
16.4.1 拉曼光谱仪激光光源的选择 320 
16.4.2 拉曼光谱仪光学平台的选择 321 
16.4.3 拉曼光谱仪的光学探头选择 322 
16.4.4 光学探头光缆 323 
16.4.5 拉曼光谱仪的深海应用测试 325 
16.5 拉曼光谱仪在深海的应用操作 325 
16.6 深海原位拉曼光谱的应用 327 
16.6.1 原位固体的拉曼光谱 327 
16.6.2 原位液体的拉曼光谱 328 
16.6.3 原位气体的拉曼光谱 329 
16.6.4 天然气水合物的拉曼光谱 329 
16.7 深海拉曼光谱技术的进展 330 
16.7.1 基于拉曼光谱的盐度和温度测定 330 
16.7.2 提高原位拉曼光谱灵敏度的方法 330 
16.8 小结 331 
16.9 致谢 331 
参考文献 331 
第17章 应用于水下结构健康监测的光纤传感器 334 
17.1 引言 334 
17.2 结构健康监测 334 
17.3 基于结构健康监测的光纤传感器 337 
17.3.1 光纤传感器概述 337 
17.3.2 非本征法布里-珀罗干涉传感器 338 
17.3.3 本征（萨尼亚克、迈克耳孙和马赫-曾德尔）干涉传感器 339 
17.3.4 光纤布拉格光栅传感器 340 
17.3.5 基于瑞利、布里渊和拉曼散射的分布式传感器 341 
17.3.6 评述 344 
17.4 使用光纤传感器的结构监测和完整性监测的方法 345 
17.4.1 按测量长度划分光纤应变传感器 345 
17.4.2 长距离传感器和结构监测 347 
17.4.3 分布式传感器和完整性监测 349 
17.5 与水下应用有关的挑战 351 
17.5.1 总论 351 
17.5.2 用于深水应用的光纤应变传感器的发展实例 352 
17.5.3 小结 356 
17.6 未来的趋势 356 
17.7 更多资料来源和建议 357 
17.8 致谢 358 
参考文献 358 
第18章 水下激光雷达系统 363 
18.1 引言 363 
18.2 利用激光雷达探索海洋垂直结构 365 
18.3 利用激光雷达量化海洋垂直结构 366 
18.4 研究举例：采用激光雷达解析海洋生物地球化学 371 
18.5 未来的趋势 372 
18.6 小结 372 
18.7 更多资料来源和建议 373 
18.8 致谢 373 
参考文献 373 
第19章 多参数水下观测平台 376 
19.1 引言 376 
19.2 一般水下研究的基础设施 377 
19.2.1 水下研究基础设施的主要特征 377 
19.2.2 水下和岸基站的特点 378 
19.3 网络架构、控制系统和数据管理 379 
19.3.1 网络技术 380 
19.3.2 海洋节点控制系统 381 
19.3.3 数据采集与同步 382 
19.3.4 数据管理 382 
19.4 光学和图像传感器在水下基础设施中的应用 384 
19.4.1 应用于水下基础设施的图像和视觉传感器 384 
19.4.2 水下基础设施中用于测量水体光学特性的光学传感器 385 
19.4.3 系统运行的挑战 386 
19.4.4 生物污染 386 
19.5 小结 388 
参考文献 388 
第20章 利用水下高光谱图像创建海底特性的生物地球化学地图 391 
20.1 引言 391 
20.2 水下高光谱成像（UHI）技术 392 
20.2.1 UHI的优点和解决方案 392 
20.2.2 光学指纹 396 
20.3 不同水下平台上的高光谱成像仪 397 
20.3.1 部署在遥控无人潜水器上的水下高光谱成像仪 397 
20.3.2 部署在自主式水下潜水器上的水下高光谱成像仪 398 
20.4 传感器和航行要求 399 
20.4.1 水下高光谱成像的传感器要求 399 
20.4.2 影像配准和导航 400 
20.5 高光谱图像处理 402 
20.5.1 水体的光学特性 402 
20.5.2 水下高光谱图像的光学校正 403 
20.5.3 光学分类算法 407 
20.6 水下高光谱成像仪在海底生物地球化学测绘中的应用 408 
20.6.1 生物地球化学感兴趣目标（OOI）测绘 408 
20.6.2 海底基质和化学成分的测绘 409 
20.6.3 用于海洋采矿的UHI 411
20.7 致谢 411 
参考文献 412 
第21章 水下荧光测量的进展：从体积荧光到平面激光成像 417 
21.1 引言 417 
21.2 平面激光成像荧光法及其深远海应用 419 
21.3 浮游植物观测系统：大型硅藻的原位成像以及实验室版本的微型平面激光成像荧光计 421 
21.3.1 利用水下成像系统对硅藻层的现场观测 421 
21.3.2 便携式平面激光成像荧光测定系统（MINI-PLIF）的实验室测试 424 
21.4 小结 426 
参考文献 426
彩图