2.1 海水的吸收和散射特性

海水所含的成分比较复杂，包括叶绿素、溶解物、悬浮颗粒和许多各式各样的有机体[1]，一般将海水成分分为悬浮颗粒和溶解的有机物两大类。其中通常将海水中所含的悬浮颗粒分为浮游植物和非色素悬浮粒子。海水中各个成分的光学特性主要表现为对光的吸收特性和散射特性。

海水含有的溶解矿物质、无机盐、气泡等对光的吸收作用和散射作用非常小，一般可以忽略。所以，通常将对海水光学特性有重要影响的物质[2-3]划分为4类，分别为海水水分子、浮游植物、非色素悬浮粒子和黄色物质。其中海水水分子对光既有吸收特性，又有散射特性，但是对蓝绿光具有较好的透过性。浮游植物主要是海洋中的浮游藻类，对光具有吸收与散射的双重光学特性，浮游植物基本上都含叶绿素a，通常认为的浮游植物对光的吸收作用大都是通过其自身含有的叶绿素完成的。同浮游植物类似，非色素悬浮粒子对光既有吸收作用又有散射作用，其主要包括悬浮泥沙、浮游植物死后的碎屑以及淤泥经过二次悬浮而产生的颗粒。黄色物质对海水衰减特性的影响最大，其主要包括藻类和碎屑产生的物质，因为这些物质使海水带有颜色，所以称为“黄色物质”。黄色物质对光只有单一的吸收作用，而没有散射作用。

综上所述，对光吸收起主要作用的是海水中含有的4类物质，分别是海水水分子、浮游植物、非色素悬浮粒子和黄色物质；对光散射有重要影响的是其中的海水水分子、浮游植物和非色素悬浮粒子这3种物质，这是因为海水中的黄色物质对光只有单一的吸收作用。

2.1.1 海水的固有光学特性

海水固有的光学特性只与海水介质有关，而与光场几何性质无关[4]。通常情况下可见光在海水中传输时，海水对光场有衰减作用。从光学角度来看，光束在海水传输过程中造成的衰减，除了受到纯海水的影响外，还受到浮游植物（叶绿素a）、非色素悬浮粒子和黄色物质等对光束的吸收和散射作用的影响。

因此，海水中所含的各种成分主要有两个重要的光学特性，即光的吸收作用和散射作用[5]。这两个光学特性会造成海水中光传输的功率衰减，因此海水的总衰减系数用式（2-1）来表示。

其中，a(λ)表示海水总吸收系数，β(λ)表示海水总散射系数，c(λ)表示海水总衰减系数，三者单位都是m-1；λ表示波长，单位是nm。

2.1.2 海水信道的光学吸收特性

海水对光的吸收作用指的是光能量转化为其他形式能量的过程中产生的衰减。分析发现，海水对光的吸收是一个不可逆的过程，光被海水吸收会导致光子的消失。因此，海水的光吸收过程其实是指海水中光能量损失的过程。

海水的吸收特性与海水的成分有着密切的关系，而且其所含成分的吸收作用决定着海水的吸收特性[1]。光束在海水中传输时，设其路程为dr，由于吸收而产生的光能量损失为dw，且dw=-a(λ)dr，其中，a(λ)为海水总吸收系数，即海水中所含的各种物质成分的吸收系数之和，表达式如式（2-2）所示。

其中，as(λ)为纯海水的吸收系数，af(λ)为海水中浮游植物（叶绿素a）的吸收系数，al(λ)指海水中非色素悬浮粒子的吸收系数，ah(λ)是海水中的黄色物质（可溶性有机物）的吸收系数。

1. 纯海水的吸收特性

纯水是不含任何杂质的水，研究表明，35‰的溶解盐和纯水混合而成的液体就是纯海水。但是相比于其他成分来说，溶解盐对光的吸收作用可以忽略，所以对于可见光来说，纯海水的吸收系数与纯水的吸收系数非常接近。所以本书研究的纯海水对光的吸收系数是用纯水的吸收系数来近似表示的。纯水对光有吸收和散射的双重作用，广泛使用的纯水的吸收和散射系数的数值[6]见表2-1。

表2-1为波长从350～700 nm的纯水的吸收和散射系数。根据表2-1绘制出纯水的吸收系数和波长的关系（即纯海水的吸收系数与波长的关系）如图2-1所示。

从图2-1中可以看出，纯海水的吸收系数随波长的增大而增大，且纯海水对蓝绿光波段的吸收系数较小。波长在350～550 nm之间变化时，纯海水的吸收系数随波长的变化而变化的趋势较为平稳；波长从550～700 nm之间变化时，纯海水的吸收系数随波长的增大而急剧增大。由图2-1中可得出，波长为530 nm的光吸收系数as(530)=0.050 5 m-1。

2. 浮游植物（叶绿素a）的吸收特性

浮游植物对光既有吸收作用，又有散射作用。其中浮游植物所含有的叶绿素a对光的吸收作用来说非常重要，因此用叶绿素a对光的吸收作用来表示浮游植物的吸收作用。

浮游植物对光的吸收作用可以用式（2-3）来表示[1]。

其中，代表叶绿素a的单位吸收系数，chl是叶绿素a的浓度，单位是mg/m3。Morel[7]通过研究叶绿素a的单位吸收系数随浓度变化的关系，分析总结出式（2-4），即浮游植物对光的吸收系数。

其中，A(λ)是参考波长在λ=440nm时的某一波长进行归一化的单位吸收系数[6]。其中A(λ)的波形如图2-2所示。

根据海水水质参数的不同，通常将海水分为3类：第1类是远洋海水，第2类是近海海水，第3类是海湾海水。这3类海水的光学特性参数是Petzold在1972年测出的[8]，见表2-2。其中a是海水的总吸收系数，β是海水的总散射系数，c是海水的总衰减系数，三者的单位都是m-1。

表2-2　3类海水的水质参数

参照表2-2中的3类海域的水质参数，选取远洋海水中的浮游植物所含叶绿素a的浓度chl=0.03 mg/m3，非色素悬浮粒子的浓度D=0.01 mg/L，近海海水中的浮游植物所含叶绿素a的浓度chl=0.3 mg/m3，非色素悬浮粒子的浓度D=0.8 mg/L作为研究对象。

利用图2-2中A(λ)与波长λ的关系，并参照表2-2中的水质参数，选取叶绿素a的浓度分别为chl=0.03 mg/m3、chl=0.3 mg/m3和chl=5 mg/m3时，画出浮游植物的吸收系数与波长的关系如图2-3所示。

由图2-3可看出，当叶绿素a浓度不同时，浮游植物的吸收系数随波长的变化趋势与归一化吸收系数随波长的变化趋势一致；并且在同一波长下，叶绿素a浓度增大时，浮游植物吸收系数随着增大。当叶绿素a浓度相同时，浮游植物波长在460 nm和680 nm附近具有两个峰值，波长在550～630 nm范围内吸收作用较小。

3. 非色素悬浮粒子的吸收特性

非色素悬浮粒子对光有吸收和散射的双重光学特性，其吸收系数随波长的变化呈指数衰减的关系，其吸收系数如式（2-5）所示[1]。

其中，al(λ0)是非色素悬浮粒子在参考波长λ0=440nm时的光吸收系数，选取al(440)=0.198 m-1[6]。S为光吸收谱斜率，研究发现其平均值一般为0.01±0.002[9]，一般选取S=0.01，则非色素悬浮粒子的吸收系数如式（2-6）所示。

根据式（2-6），画出非色素悬浮粒子的吸收系数与波长的关系如图2-4所示。由图2-4可看出，非色素悬浮粒子的吸收系数随波长的增大呈指数衰减的趋势，其吸收作用主要体现在紫外光波段和可见光的短波波段，且随波长的增大而减小。从图2-4中可得，波长为530 nm的非色素悬浮粒子的光吸收系数al(530)=0.0805 m-1。

4. 黄色物质的吸收特性

黄色物质对光只有单一的吸收作用。黄色物质的吸收系数随波长的变化趋势与非色素悬浮粒子的吸收系数随波长的变化趋势类似。根据张诸琴等[10]对海水中所含黄色物质的研究，得出黄色物质的吸收系数如式（2-7）所示。

其中，ah(λ0)是参考波长λ0=440nm时黄色物质的吸收系数[11]，S指光吸收谱斜率。

荷兰科学家[12]对特塞尔岛7个观测点中黄色物质的吸收光谱线的分析研究表明：光吸收谱斜率S非常稳定，通常为0.011～0.017 2[7]。表2-3给出了不同水体类型的光吸收谱斜率的S值[1]。从表2-3中可以看出，即使水体的类型差别很大，S值也很相近，虽然从表层水到深层水的S值有变化，但是变化基本不大。

此处光吸收谱斜率S选的是吸收光谱线的平均值，即S=0.014。通常情况下ah(440)=0.243 m-1，代入式（2-7）中，得出黄色物质的吸收系数如式（2-8）所示。

根据式（2-8），画出黄色物质的吸收系数与波长的关系如图2-5所示。

从图2-5发现，黄色物质的吸收系数随着波长的增大呈指数递减的趋势，它的吸收作用主要体现在可见光的短波波段，波长为600 nm左右时的吸收作用已变得非常小。由图2-5可以看出，波长为530 nm时的黄色物质的吸收系数为ah(530)=0.0689 m-1。

综上所述，海水的光学吸收特性主要是海水中各种物质的吸收作用共同决定的，这些物质分别为纯海水、浮游植物非色素悬浮粒子及黄色物质。从图2-1～图2-5中可以看出，在波长为450～550 nm光波段，纯海水的吸收系数为0.011～0.065 4 m-1，浮游植物（叶绿素a浓度为5 mg/m3情况下）的吸收系数约为0.035～0.17 m-1，非色素悬浮粒子的吸收系数约为0.07～0.19 m-1，黄色物质的吸收系数约为0.05～0.2 m-1。

波长为530 nm的绿光的海水各种成分的吸收系数见表2-4。

所以，海水各种成分的吸收系数相差不大，其中非色素悬浮粒子的吸收系数相比其他海水成分的吸收系数较大，纯海水的吸收系数相对较小。叶绿素a浓度的变化对海水吸收系数影响较大，并且海水的吸收系数随叶绿素a浓度的增大而增大。

2.1.3 海水信道的光学散射特性

海水的光学散射是指只有光子的传输方向发生了改变的一种随机过程。即发生散射时，光子并未消失，而只是偏离了准直方向。因此，海水中发生的散射作用并不会使光能量受到损失，只是使水下光场的能量分布发生了改变。

光在海水中传输时，海水对光的散射作用主要来自其中所含的纯海水、浮游植物以及非色素悬浮粒子的影响，由于黄色物质对光只有吸收作用，因此不考虑黄色物质对光散射作用的影响。光束通过海水介质，传输距离为dr时，海水由于散射作用而造成的光束能量的衰减dw，此时dw=-β(λ)dr，其中β(λ)为总散射系数，指纯海水、浮游植物以及非色素悬浮粒子3种物质散射系数的总和，可用式（2-9）表示。

其中，βs(λ)是纯海水的散射系数，βf(λ)是浮游植物的散射系数，βl(λ)是非色素悬浮粒子的散射系数。

1. 纯海水的散射特性

研究表明，对于短波来说，纯海水的散射系数相对于纯水的散射系数较大，但对于蓝绿光来说，纯海水的散射系数与纯水的散射系数非常接近[13]。所以可以将纯海水的散射系数近似用纯水的散射系数来表示。根据表2-1中纯水的散射系数[6]，波长从350～700 nm时纯水的散射系数与波长的关系如图2-6所示。

由图2-6可以看出，纯海水的散射系数随着波长的增大呈指数递减的趋势，波长为350～500 nm时，纯海水的散射系数随波长的增大而急剧减小，波长为550～700 nm时，变化趋于平稳。因此可以看出纯海水的散射作用主要体现在紫外光波段。此外，由图2-6可以看出，波长为530 nm时纯海水的散射系数为βs(530)=0.0017 m-1。

2. 浮游植物（叶绿素a）的散射特性

浮游植物（叶绿素a）对于光波的散射作用有着重要的影响，海水中浮游植物的散射作用可以用式（2-10）表示[14]。

其中，chl表示浮游植物中叶绿素a的浓度，Bc通常表示的是一个常数，一般为0.12～0.45，仿真计算时Bc常常选取平均值，即Bc=0.3。

将参数代入式（2-10），可得到浮游植物的散射系数如式（2-11）所示。

本书利用式（2-11）所示浮游植物的散射系数，并且参照表2-2的水质参数，画出不同浓度叶绿素a（分别为chl=0.03 mg/m3、chl=0.3 mg/m3和chl=5 mg/m3）时，浮游植物的散射系数与波长的关系如图2-7所示。

图2-7可以看出，同一波长下，浮游植物的散射系数随着叶绿素a浓度的增大而增大，当叶绿素a浓度相同时，浮游植物的散射系数随波长增大呈指数递减趋势。

3. 非色素悬浮粒子的散射特性

1992年，Gordon[15]得出了非色素悬浮粒子的散射系数与波长和质量浓度的关系，如式（2-12）所示。

其中，D是非色素悬浮粒子的质量浓度，单位是mg/L。研究发现，海水中非色素悬浮粒子的质量浓度一般为0.01～3 mg/L[1]。

根据式（2-12）中非色素悬浮粒子散射系数的表达式，以及表2-2中不同海水水质的参数，得出不同质量浓度的非色素悬浮粒子的散射系数与波长的关系如图2-8所示。

由图2-8可看出，在同一波长下，非色素悬浮粒子的散射系数随质量浓度的增大而增大，质量浓度相同时，非色素悬浮粒子的散射系数随波长的增大而呈递减趋势。

综上所述，海水的光学散射特性是由海水中含有的纯海水、浮游植物和非色素悬浮粒子的散射系数共同决定的，从图2-6～图2-8中可以看出，在450～550 nm的光波段，纯海水的散射系数在0.001 5～0.003 5 m-1，浮游植物的散射系数在0.8～0.97 m-1，非色素悬浮粒子的散射系数在0.125～0.15 m-1（D=1 mg/L）。

对于波长为530 nm的绿光，通过仿真计算得到其各种成分的散射系数（见表2-5）。由表2-5可以看出，与浮游植物以及非色素悬浮粒子相比，纯海水的散射系数很小，在实际中可以忽略不计。而与纯海水和非色素悬浮粒子相比，浮游植物的散射系数较大，所以它对光信号的散射影响最大。

2.1.4 海水信道的总衰减特性

根据前面所述的海水的吸收和散射作用，由海水水体引起的总的衰减作用为光吸收作用和散射作用之和，可表示为式（2-1）。

将海水中各个成分的衰减系数代入式（2-1），得到海水的总衰减系数，如式（2-13）所示。

其中，cs(λ)为纯海水的衰减系数。cf(λ,chl)为浮游植物的衰减系数，且其衰减系数与浮游植物中所含叶绿素a的浓度有关。cl(λ,D)是非色素悬浮粒子的衰减系数，其中，非色素悬浮粒子的散射系数与其浓度有关，而吸收系数与其浓度无关。ch(λ)是黄色物质的衰减系数，其中只含有黄色物质的吸收系数，这是因为黄色物质对光只有吸收作用。

选取波长为530 nm的绿光，参照表2-2中海水的水质参数，选取海水成分中的叶绿素a浓度chl=5 mg/m3，非色素悬浮粒子浓度D=1 mg/L，根据以上参数，计算出海水总衰减系数与波长的关系如图2-9所示。

由图2-9中可以看出，波长为300～550 nm时，海水的总衰减系数随波长的增大而呈指数递减的趋势，波长为550～700 nm时，海水的总衰减系数随波长的增大而缓慢增大，波长为700～750 nm时，海水的总衰减系数随波长的增大而急剧增大。而波长为520～650 nm时，海水的总衰减系数相对较小。