海洋光学是光学与海洋学之间的交叉学科和边缘学科。主要研究海洋水体的光学性质、光在海中的传播规律、激光与海水的相互作用以及光学波段探测海洋的方法与技术。

海水是一种相对透明的介质。海水的成分较复杂，它含有可溶有机物、悬移质、浮游生物等。这些物质对光有较强的吸收和散射。由于海水对光的多次散射，使海洋辐射传递的研究或光在海洋中传播规律的研究成为海洋光学基础研究的核心问题。海洋光学调查的主要目的就是调查海洋的光学性质或光在海中的传播规律，同时由海洋光学参数的测量获取各类海洋学参数，以便进行海洋光学的各种研究。

19世纪初，人们在进行海洋调查时，用一个直径30cm的白色圆盘(透明度盘)垂直沉入海水中，直到刚刚看不见为止时的深度，这一深度叫海水的透明度。将透明度盘提升至透明度一半深度处，俯视透明度盘之上水柱的颜色，称为海水的水色。到了19世纪末，海洋学工作者把海水光学性质的研究和海洋初级生产力结合起来，并测量了海洋的辐照度。20世纪30年代到60年代是海洋光学的形成阶段。随着光电池的研制成功和光学技术的发展，人们研制了水中辐照计、水中散射仪、海水透射率计、水中辐亮度计等海洋光学仪器，系统地测量了海水的衰减、散射和光辐射场的分布，积累了基本的海洋光学参数数据；对光在海洋中的传播规律，尤其是海洋辐射传递理论也进行了基本的研究。60年代中期到80年代是海洋光学的发展阶段。近代光学、激光和光学遥感技术的发展大大开拓了海洋光学的研究领域，多光谱卫星遥感技术已成为探测海洋的重要手段。同时，不少海洋光学专家积极从事激光探测海洋的应用研究。海洋一大气系统的辐射传递、海水高分辨率激光光谱、海水光学传递函数等研究受到了较大的重视，并取得了较大的进展，使海洋光学成为一门内容丰富、有重要应用价值的分支学科。

10.7.1海洋光学中的一些辐射量

为了描述海水的光学特性及光在水中的传输规律，本节介绍一些有关的辐射量。海洋光学中有两个基本的辐射度量，用于描述海中光场的分布。其中一个是辐亮度L，它是指沿特定方向垂直于单位截面积并沿此方向单位立体角的辐射量大小；另一个重要的辐射度量是辐照度E，它表示单位面积接收到的辐射量。

此方向的单位截面积的辐射通量(W·m-2·sr-1)。可表示为

L=dF/dAcosθdω (10-44)

式中dA为面积元(如图10—12所示)；dω为立体角；θ为光子流与dA法向夹角；dF为通过dA的辐射通量。

2.辐照度E海中单位面积接收到的辐射通量(W/m2)，表示单位面积接收到的各个方向的辐亮度之和(如图10—13所示)，可表示为

上式为对空间4π立体角积分，式中θ为光子流与接收面的夹角。对于各向同性辐射场，对上式积分即可得到E＝πL。

海中向上辐照度定义为水平单位面积上接收到的海水中向上的辐射通量(W/m2)，可表示为

海中向下辐照度定义为水平单位面积上接收到的海水中向下的辐射通量(W/m2)，可表示为

3.标量辐照度E0空间一点接收到的各个方向的辐亮度之和(W/m2)，可表示为

标量辐照度E0与接收到的辐亮度L方向无关。

海中向上标量辐照度是指水平单位面积上接收到的包括倾斜光在内的各个方向上的海水向上的辐射通量，可表示为

海中向下标量辐照度是指水平单位面积上接收到的包括倾斜光在内的各个方向上的海水向下的辐射通量，可表示为

4.球面辐照度Es 单位面积的球面所接收到的辐射通量(W/m2)，可表示为

式中r为球面曲率半径；A为球表面面积。球面辐照度Es是一种测量标量辐照度E0的方法，由球面辐照度Es可以推出标量辐照度E0。

10.7.2海-气交界面的光学性质

入射到海水表面的光，一部分被反射回空气中，一部分折射到海中。如图10-14所示。光在海面的反射和折射遵从光的反射定律和折射定律。垂直偏振光的反射系数ρ⊥和平行偏振光的反射系数ρ‖随入射角的变化而不同(见图10-15)，它们遵从菲涅耳公式

式中θa为水面上的入射角；θw为相应的折射角。当θa＋θw＝90°时，ρ‖＝0，此时θa=53.3°，称为布儒斯特角。当漫射光投射于海面时，海面总反射系数为对各个方向反射系数的积分，约为5.2～6.6％。入射角和反射角之间的关系为

式中na、nw分别为空气和海水的折射率。海水的折射率nw近似1.34。它随海水盐度、温度变化略有变化(如表10—5所示)。天空光通过平静的海面进入水体后，被压缩成48.3°的锥形光束。当入射光束的立体角较小时，水面上入射立体角Ωa和水面下折射角Ωw之比为由于光束立体角的压缩，使光从空气进入水体后的辐亮度增强n2倍。

表10-5海水折射率随温度和盐度的变化(波长λ=0.5893μm)

海面受到风作用时产生随机起伏，这种风生的海面斜率的随机分布属于高斯分布，故海面的均方斜率和风速成正比。在太阳高度较小或观察角较大的情况下，当风速增加时，海面均方斜率的增加使海面平均入射角减小，导致海面平均反射系数减小。在太阳高度较大或观察角较小的情况下，当风速增加时，海面均方斜率虽然增加，但平均入射角变化不大，因此海面平均反射系数几乎不随风速而变(图10—16)。利用起伏海面的反射可探测海洋波浪的重要信息，用航空摄影获取的海浪对直射太阳光的反射图象(耀斑图象)，其耀斑的空间坐标和海面的斜率相对应，由此得到海浪斜率的分布。根据均方斜率数据，可估计海面的风场。用航空摄影获取的海浪对漫射光的反射图象，其灰度和海面的斜率有关，经过信息处理，可获取海浪的功率谱和方向谱。

10.7.3光在海水中的衰减

光进入海中，受到海水的作用将衰减。即使最纯净的水，这种衰减也是很严重的。引起衰减的物理过程有两个：吸收和散射。光能量在水中损失的过程就是吸收。吸收也存在不同的物理过程：有些光子是在它的能量变为热能时损失了，有些光子被吸收后由一种波长变为了另一种波长的光。发生散射时，光子没有消失，只是光子的前进方向发生了变化。

单色准直光束通过海水介质，辐射能呈指数衰减变化

L(r)=L(0)exp(-cr) (10-54)

其中c为海水体积衰减系数(m-1)。r为光的传输距离。L(0)为坐标0点沿r方向的辐亮度；L(r)为路径r处沿r方向的辐亮度。当通过路程r=l且Cl=1时，辐亮度衰减到原来的e-1，则称此路程l为水的衰减长度(m)，这时L(r)为L(0)的e-1。光因在水中受到散射和吸收而衰减，所以

c=a+b

式中a为体积吸收系数，它表征准直光束通过海洋水体单位路程后吸收的大小。b为体积散射系数。

体积衰减系数是波长的函数。图10－17给出了0.200～0.800μm波长范围内的海水光谱衰减分布。通常认为沿岸海水的光谱透射窗口(即在此波段，光在海水中的衰减最小，透射最大)为0.520μm，体积衰减系数约为0.2～0.6m-1，其衰减长度约为1.2～5m。大洋清洁水的光谱透射窗口为0.480μm，体积衰减系数约为0.05m-1，其衰减长度约为20m。

10.7.4海水中光的散射

如上所述，除了海水的吸收外，还有散射，导致水中准直光束能量的衰减。海水中引起光散射的因素很多，主要有水分子和各种粒子，包括悬移质粒子、浮游植物及可溶有机物粒子等。散射的机制主要有两种：瑞利散射和米氏散射。水分子散射遵从瑞利散射规律；粒子的散射遵从米氏散射规律。清洁大洋水主要是水分子散射，沿岸混浊水主要是大粒子散射。当一束光入射到海水的一小体积上发生散射后，它的能量将分布于很宽的角度范围，即散射光的强度随散射角而发生变化。这种变化用海水体积散射函数β(θ)来表示。

β(θ)定义为：在θ方向单位散射体积、单位立体角内散射辐射强度与入射在散射体积上辐照度之比(m-1·sr-1)，可表示为

式中dI(θ)为θ方向的散射强度，dV为散射体积元(如图10-18所示)。

海水体积散射函数β(θ)对空间4π立体角内的积分，即各散射方向散射的总和，就是海水体积散射系数b(m-1)，可表示为

前向散射系数bf，表征在前向0＜θ＜π/2立体角内散射的总和，可表示为

后向散射系数bb，表征在后向π/2＜θ＜π立体角内散射的总和，可表示为

图10—19为实验测定的散射函数曲线，图10—20为海水小角度散射函数曲线。

由此可见，海水的散射主要集中于前向散射，一般占总散射的90％以上，后向散射只占小部分，通常小于10％。另外，沿光线前进方向(θ=0°)的散射最强，而垂直方向(θ=90°)最弱；与光前进相反的方向的散射强度比θ=0°附近的散射强度小3～4个量级。

10.7.5海洋光学仪器

测量海洋光学性质的仪器可分为两类：①测量海水固有光学性质的仪器。因为固有光学性质不受环境条件的影响，可采样在实验室中测量，也可在现场测量，故这类仪器又分为实验室仪器和现场测量仪器两种。②测量海洋表观光学性质的仪器。因为表观性质都与环境有密切的关系，故必须在现场观测。

一、测定海水固有光学性质的仪器

主要包括测定体积衰减系数的c仪(或准直光透射率仪)、测定体积散射函数的β仪、测定总散射系数的b仪，其中β仪和b仪都称为水中光散射仪。

体积衰减系数测定仪是测定准直光束在海水中衰减的仪器。从光源发出的光，经准直发射系统后成为准直光束，此光束在海水中经过光程r而衰减，

衰减系数c。终端显示出值c的仪器称为体积衰减系数测定仪，显示Tr的称为准直光透射仪。

光散射仪测定海水体积散射函数β(θ)的β仪，可用于测定各个散射角度的散射光强度或测定散射光随角度的分布。测量海水总散射系数b的b仪可用于测定各个角度散射光的总和。因海水散射函数随波长的变化不大，故测量时一般不作光谱分光，即不必针对光谱中的每一单色光测量。

二、测定表观光学性质的仪器

测定表观光学性质的仪器主要包括辐照度仪和辐亮度仪。

辐照度仪是测量海洋表观光学性质中应用最广泛的仪器。仪器一般用光电池作为接收光电器件，测量光谱向下辐照度Ed和光谱向上辐照度Eu，通过

被光电接收器件转换为电信号。通常的仪器都配以光学或电子学的衰减器，以适应从海面到深层的辐照度的大范围变化。

辐亮度仪用于测量各个方向的表观辐亮度，其接收系统是准直接收的光度计，限定接收很小的视场角(约10-4～10-3)的辐亮度。光度计在机械控制下沿不同方位角和俯仰角旋转，可接收海水空间立体角4π的各个方向的辐亮度。

还有其它海洋光学测量仪器，此不列举。