水下光学与成像

《水下光学与成像》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。

目录
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*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　光束限制　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　照明区域限制　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　空间频率的限制　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