基于空间映射成像的海水三维体散射函数测量方法研究

Optical scattering is a common phenomenon during the process of underwater light propagation, as well as a dominative factor for the characteristics of light propagation. Scattering behavior of the ocean can be described by a IOP parameter called Volume Scattering Function (VSF). Precise measurement of Volume Scattering Function (VSF) of seawater is required in oceanographic remote sensing, marine detection and communication applications. Exploring a fast, precise, in situ method that is capable of measuring the three-dimensional angular scattering distribution of seawater is an important research field in oceanography. The VSF of water column is greatly influenced by suspensions in the ocean, such as nonspherical phytoplankton, but lack of wide and thorough research. Based on the current application needs and research situation, this project aims to explore a new method that can measure the 3D VSF of seawater. We set off with studying the scattering theory of seawater constituents, especially oceanic suspensions, establishing VSF simulation model based Discrete Dipole Approximation theory and Monte Carlo method. Based on the simulation results, an apparatus is proposed for measuring 3D VSF of water column base on the principle of space mapping and imaging technology. Relative theoretical and experimental research will be done. And some key problems such as nonspherical particle scattering, VSF pattern recovery from images will be solved. This project will provide a new method for VSF measurement.

散射作为水下光传输过程中不可避免的物理现象，对水下光传输特性起着决定性作用，可以通过体散射函数(VSF)这一水体固有光学参数来描述。测量海水VSF对于海洋遥感、水下探测、水下通讯等研究领域有着重要的意义。探索数据一致性好、响应速度快、散射光三维空间分布的现场测量方法是海洋光学参数测量中的重要课题。海水中广泛存在的浮游生物等各类非球形悬浮颗粒体的散射特性，会影响对海水的整体VSF，然而却缺乏全面而深入的研究。本项目提出了研究海水各组分光散射特性，基于离散偶极子理论和固定粒子蒙特卡洛模型，建立含有多种不同类型散射颗粒的水体三维VSF计算模型。针对海水三维VSF分布特征，探索利用空间映射成像技术测量海水三维VSF的新方法，并进行相关理论研究和实验验证。从中提炼出非均匀介质、非球形颗粒散射场计算模型，三维体散射函数测量方法及复原技术等关键问题，为在海洋环境中全方位现场测量水体VSF提供一种新方法。

海水的弹性散射可以用体散射函数（VSF）这一水体固有光学参数来描述。体散射函数是海水中光传输研究模型的必要输入参数。现有体散射函数测量方法只能获得某一散射平面内的一维散射曲线，难以全面反映海水在全空间内的散射光分布情况。本项目对海水的三维体散射函数理论计算模型，测量方法开展了研究。.首先，从光散射理论出发，研究了海水各组分的单颗粒光散射计算模型。以海洋中的气泡为对象，建立了基于几何光学（GOA）的椭球形颗粒体散射函数计算模型。在此基础上，建立同时含有多种类型悬浮颗粒的复杂水体三维体散射函数分布计算模型。.基于对海水体散射函数理论研究结果，突破现有一维体散射函数测量设计思路，本项目设计了一种利用空间映射成像技术的水体散射光分布测量装置，一次性的获得半球空间内的水体光散射空间分布，实现对海水体散射函数的全方位测量。在实验室中，通过设计非线性衰减装置，有效扩大了测量量程，解决了海水前向散射强烈所导致测量结果动态范围大的问题。本项目对水体散射分布空间映射图案数据处理进行了研究，实现了一种三维体散射函数快速复原方法，并对如何调校、消除系统误差、降低噪声影响进行了探讨。针对系统所获图像中的固定误差和随机误差，设计了一系列坐标校正、强度校正算法。这些数据处理方法有效的减小了误差，提升了测量结果的准确度。.本项目选取了粒径为57.7-806nm的五种样品颗粒配备的浑浊溶液，对所搭建的实验系统定标测量，获得了水溶液体散射函数实测结果，应用所设计的体散射函数复原方法，提取了0-90度散射平面内的体散射函数，实验结果与理论预测结果的变化趋势一致，在较大的散射角度（10度-160度）实验结果与理论结果吻合较好，验证了实验系统的正确性。项目组对这套海水三维体散射函数测量装置进行了小型化设计，于2016.7.参加国家自然科学基金委资助的渤黄海共享航次，实测了10余个站点的海水样本体散射函数。.从以上这些研究成果可以看出，我们按计划实施了本项目，即从基本的散射理论出发，建立了复杂水体的三维体散射函数分布数学模型，设计并实现了一种水体三维体散射函数测量方法。为全方位、快速测量海水三维体散射函数提供一种新方法，并最终实现海洋环境监测、水下探测等应用中对海水散射特性进行实时现场测量的目的。