基於空間映射成像的海水三維體散射函式測量方法研究

《基於空間映射成像的海水三維體散射函式測量方法研究》是依託華中科技大學，由楊克成擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於空間映射成像的海水三維體散射函式測量方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊克成
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

散射作為水下光傳輸過程中不可避免的物理現象，對水下光傳輸特性起著決定性作用，可以通過體散射函式(VSF)這一水體固有光學參數來描述。測量海水VSF對於海洋遙感、水下探測、水下通訊等研究領域有著重要的意義。探索數據一致性好、回響速度快、散射光三維空間分布的現場測量方法是海洋光學參數測量中的重要課題。海水中廣泛存在的浮游生物等各類非球形懸浮顆粒體的散射特性，會影響對海水的整體VSF，然而卻缺乏全面而深入的研究。本項目提出了研究海水各組分光散射特性，基於離散偶極子理論和固定粒子蒙特卡洛模型，建立含有多種不同類型散射顆粒的水體三維VSF計算模型。針對海水三維VSF分布特徵，探索利用空間映射成像技術測量海水三維VSF的新方法，並進行相關理論研究和實驗驗證。從中提煉出非均勻介質、非球形顆粒散射場計算模型，三維體散射函式測量方法及復原技術等關鍵問題，為在海洋環境中全方位現場測量水體VSF提供一種新方法。

結題摘要

海水的彈性散射可以用體散射函式（VSF）這一水體固有光學參數來描述。體散射函式是海水中光傳輸研究模型的必要輸入參數。現有體散射函式測量方法只能獲得某一散射平面內的一維散射曲線，難以全面反映海水在全空間內的散射光分布情況。本項目對海水的三維體散射函式理論計算模型，測量方法開展了研究。 首先，從光散射理論出發，研究了海水各組分的單顆粒光散射計算模型。以海洋中的氣泡為對象，建立了基於幾何光學（GOA）的橢球形顆粒體散射函式計算模型。在此基礎上，建立同時含有多種類型懸浮顆粒的複雜水體三維體散射函式分布計算模型。 基於對海水體散射函式理論研究結果，突破現有一維體散射函式測量設計思路，本項目設計了一種利用空間映射成像技術的水體散射光分布測量裝置，一次性的獲得半球空間內的水體光散射空間分布，實現對海水體散射函式的全方位測量。在實驗室中，通過設計非線性衰減裝置，有效擴大了測量量程，解決了海水前向散射強烈所導致測量結果動態範圍大的問題。本項目對水體散射分布空間映射圖案數據處理進行了研究，實現了一種三維體散射函式快速復原方法，並對如何調校、消除系統誤差、降低噪聲影響進行了探討。針對系統所獲圖像中的固定誤差和隨機誤差，設計了一系列坐標校正、強度校正算法。這些數據處理方法有效的減小了誤差，提升了測量結果的準確度。 本項目選取了粒徑為57.7-806nm的五種樣品顆粒配備的渾濁溶液，對所搭建的實驗系統定標測量，獲得了水溶液體散射函式實測結果，套用所設計的體散射函式復原方法，提取了0-90度散射平面內的體散射函式，實驗結果與理論預測結果的變化趨勢一致，在較大的散射角度（10度-160度）實驗結果與理論結果吻合較好，驗證了實驗系統的正確性。項目組對這套海水三維體散射函式測量裝置進行了小型化設計，於2016.7.參加國家自然科學基金委資助的渤黃海共享航次，實測了10餘個站點的海水樣本體散射函式。 從以上這些研究成果可以看出，我們按計畫實施了本項目，即從基本的散射理論出發，建立了複雜水體的三維體散射函式分布數學模型，設計並實現了一種水體三維體散射函式測量方法。為全方位、快速測量海水三維體散射函式提供一種新方法，並最終實現海洋環境監測、水下探測等套用中對海水散射特性進行實時現場測量的目的。