CN116952904A - 基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，本发明属于海水透明度测量领域，包括：获取非均匀水体在不同深度处的太阳光辐射数据；基于所述太阳光辐射数据，计算得到上涌光相对量和衰减系数，构建非均匀水体的对比度传输方程；基于所述上涌光相对量，计算在不同深度处的固有对比度；将固有对比度、衰减系数分别带入所述对比度传输方程，计算得到相对对比度；设置人眼阈值，将所述相对对比度与所述人眼阈值比较，得到比较结果，基于比较结果，得到海水透明度。本发明能够测量传统定义的海水透明度，同时还能测量新定义的透明度数值。

Description

基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法

技术领域

本发明属于海水透明度测量技术领域，尤其涉及一种基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法。

背景技术

海水透明度，是指海水的透明程度，反映的是海水的消光特性，是目前海洋探测中海水光学特性测量的基本内容之一。

传统定义上，海水透明度指人的肉眼在海水中所能看到的最大深度，常用的测量方法有铅字法、十字法、塞氏盘法；由于现代海洋人都是用光波、声波等形式来探测水下情况，且不同频率的波所探测的深度不同，因此人们对海水透明度数值的需求早已不仅仅是肉眼所能看到的深度，而是各个频率的波在各个水域中所能探测的具体深度，国际上出现了新定义的透明度，即为透明度的光度学定义：一平行光束在水中传播一定距离后其光能流I与原来光能流I0之比，故测量得到海水各个深度的光能流时便可以计算出各个深度的透明度。光度学定义的透明度不仅对于普通船只的航行安全具有重要意义，而且对于蓝绿光通信、布雷扫雷及隐没反潜、军事海床测绘等军事活动具有重大意义。同时由于透明度随深度和季节是不断变化的，故需要实时的对任务海区的透明度进行测量。

目前，海水透明度测量方法中存在以下问题：

(1)在部分含有悬浮物较多的水体中容易产生测量误差；

(2)部分水中可能有存在溶解性固体，需要针对这些溶解性固体有采取特定的预处理措施；

(3)塞氏盘和黑、白圆盘表面光泽度影响容易影响观测；

(4)光线灰色、阴天等恶劣天气，以及观测者的视力，会影响观测结果；

(5)背景差异过大，会对观测造成不良影响。

发明内容

本发明提出了一种基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，包括：

获取非均匀水体在不同深度处的太阳光辐射数据；

基于所述太阳光辐射数据，计算得到上涌光相对量和衰减系数，构建非均匀水体的对比度传输方程；

基于所述上涌光相对量，计算在不同深度处的固有对比度；

将固有对比度、衰减系数分别带入所述对比度传输方程，计算得到相对对比度；

设置人眼阈值，将所述相对对比度与所述人眼阈值比较，得到比较结果，基于比较结果，得到海水透明度。

优选地，获取非均匀水体在不同深度处的太阳光辐射数据的过程包括：

通过高光谱海水透明度测量仪，测量出非均匀水体在不同深度处的太阳光辐射值，其中所述太阳光辐射值包括：向上辐照度和向下辐照度。

优选地，计算得到上涌光相对量的公式：

其中，u_D上涌光相对量，E_up为深度D处的向上辐照度，E_down为深度D处的向下辐照度。

优选地，计算得到衰减系数的公式：

E(λ，z)＝E(λ，0)e^{-σ(λ，z)*z}

其中，E(λ，z)为波长为λ的光波在深度z处的向下辐照度，E(λ，0)为波长为λ的光波的水面起始向下辐照度，z为水深，σ(λ，z)为波长为λ的光波在深度z处的衰减系数。

优选地，计算在不同深度处的固有对比度的公式：

其中，B_D为透明度盘在位置深度D处的亮度，B_b为透明度盘所在位置深度D处的背景亮度，u_D为深度D处的上涌光相对量，ρ透明度盘反射率，E为到达透明度盘所在位置的太阳光辐照度，C_D0为透明度盘在深度D处的固有对比度。

优选地，非均匀水体的对比度传输方程：

其中C_ri为第i层的相对对比度，C_D0为深度D处的固有对比度，σ_j为第j层的衰减系数，d_j为第j层的厚度。

优选地，基于比较结果，得到海水透明度的过程包括：

将相对对比度与人眼阈值进行对比，若相对对比度小于人眼阈值，则直接输出海水深度，即为海水透明度；若相对对比度大于人眼阈值，则将海水深度增加0.1m，重复执行海水透明度测量方法，直至计算出来的相对对比度小于人眼阈值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明基于海水在垂直放向上非均匀的假设，利用高光谱海水透明度测量仪测量出海水在不同深度上接收到的不同频率的太阳光辐射值，利用光在海水中的衰减规律计算得到不同频率的光波在海水中各个深度上衰减系数；利用非均匀水体对比度传输方程求出各个深度层的对比度数值，并将此数值与用塞氏盘法所测量出的透明度值进行对比，通过多次试验确定人眼阈值，进而计算传统定义上的透明度数值，并将其再次与塞氏盘法所测量出的透明度值进行对比分析。利用所求出的各个频率光波的衰减系数，求出新定义的透明度数值。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的传统定义透明度的光学测量方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

如图1所示，本实施例中提供一种基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，包括：

获取非均匀水体在不同深度处的太阳光辐射数据；

基于所述太阳光辐射数据，计算得到上涌光相对量和衰减系数，构建非均匀水体的对比度传输方程；

基于所述上涌光相对量，计算在不同深度处的固有对比度；

将固有对比度、衰减系数分别带入所述对比度传输方程，计算得到相对对比度；

设置人眼阈值，将所述相对对比度与所述人眼阈值比较，得到比较结果，基于比较结果，得到海水透明度。

本实施例中，衰减系数是反映光在水体中衰减程度的物理量，反映了水质的信息，通过研究同一深度下衰减系数随波长的变化规律可以寻求到一种在实验水域衰减系数最小的光波。衰减系数是一个表观光学参数，由于光波在水中传播时的衰减规律为，

E(λ，z)＝E(λ，0)e^-σ(λ，z)^*z (1)

故

其中E(λ，z)为波长为λ的光波在深度z处的向下辐照度，E(λ，0)为波长为λ的光波的水面起始向下的辐照度，z为水深，σ(λ，z)为波长为λ的光波在深度z处的衰减系数。

根据透明度盘测量海水透明度的原理，可以依次计算不同深度层的对比度数值。计算思路为：假设水体在垂直方向上是分层的，且每一层内水体是均匀的，利用测量得到的光学数据可以计算出任意深度下的固有对比度，再利用对比度在水体中的传输方程可以求出任意深度位置的光波到达人眼中的相对对比度。

利用透明度盘测量该水域的实际透明度，确定实际透明度数深度下的相对对比度数值，便可得到肉眼观测的透明度深度下相对对比度阈值，即测量得到的相对对比度恰好等于肉眼阈值时，此时的深度即为肉眼观测到的透明度数值。为减少数据误差对实验结果的影响，可通过多次实验确定对比度阈值。

阈值确定后，将相对对比度计算值与人眼的阈值进行对比(由于人眼距离水面较近，故对比度在大气中的衰减可以不考虑)，若高于人眼阈值，则继续叠加深度，计算下一个深度下的对比度，直至这个计算值小于人眼的阈值，此深度即为所测量水体的透明度。

各个参数的计算方法如下，

透明度盘在位置深度D处的亮度B_D为

透明度盘所在位置深度D处的背景亮度为

其中u_D为深度D处的上涌光相对量，ρ透明度盘反射率，E为到达透明度盘所在位置的太阳光辐照度。

则透明度盘在深度D处的固有对比度C_D0为

上涌光相对量u_D的计算公式为

其中E_up为深度D处的向上辐照度，E_down为深度D处的向下辐照度。

非均匀水体的对比度传输方程为

其中C_ri为第i层的相对对比度，C_D0为深度D处的固有对比度，σ_j为第j层的衰减系数，d_j为第j层的厚度。

利用上述数据进行非均匀水体透明度的计算步骤为：

(1)设置透明度盘的初始深度h为0.1m，透明度模型的水体分层间隔为0.1m(数值越小，精度越高，同时计算量越大)，根据所测的上、下辐照度数据计算上涌光相对量；

(2)利用所计算出的上涌光相对量数据计算在深度h处的固有对比度；

(3)将固有对比度数据带入对比度传输方程，得到到达人眼的相对对比度数据；

(4)将相对对比度数值与人眼阈值进行对比，若小于阈值，直接输出h，即为该水域透明度；若大于阈值，则将深度h增加0.1m，然后转向步骤(1)，直至所计算出来的相对对比度小于人眼阈值。

通过上述流程可基于光学测量方法计算肉眼观测到的能见度数值，对快速计算能见度数值及减小主观误差具有重要意义。基于辐照度数值及衰减系数计算公式，可计算不同波长不同深度下衰减系数数值，进而可分析固定深度下衰减系数随波长的变化规律，以及固定波长下的衰减系数随深度的变化规律，最终得到所研究的水体中穿透能力最强的光波，将光波的穿透距离作为光度学定义上的透明度。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取非均匀水体在不同深度处的太阳光辐射数据；

基于所述太阳光辐射数据，计算得到上涌光相对量和衰减系数，构建非均匀水体的对比度传输方程；

基于所述上涌光相对量，计算在不同深度处的固有对比度；

将固有对比度、衰减系数分别带入所述对比度传输方程，计算得到相对对比度；

设置人眼阈值，将所述相对对比度与所述人眼阈值比较，得到比较结果，基于比较结果，得到海水透明度。

2.根据权利要求1所述的基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，其特征在于，获取非均匀水体在不同深度处的太阳光辐射数据的过程包括：

通过高光谱海水透明度测量仪，测量出非均匀水体在不同深度处的太阳光辐射值，其中所述太阳光辐射值包括：向上辐照度和向下辐照度。

3.根据权利要求1所述的基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，其特征在于，计算得到上涌光相对量的公式：

其中，u_D上涌光相对量，E_up为深度D处的向上辐照度，E_down为深度D处的向下辐照度。

4.根据权利要求1所述的基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，其特征在于，计算得到衰减系数的公式：

E(λ,z)＝E(λ，0)e^-σ(λ，z)*z

其中，E(λ，z)为波长为λ的光波在深度z处的向下辐照度，E(λ，0)为波长为λ的光波的水面起始向下辐照度，z为水深，σ(λ，z)为波长为λ的光波在深度z处的衰减系数。

5.根据权利要求1所述的基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，其特征在于，计算在不同深度处的固有对比度的公式：

其中，B_D为透明度盘在位置深度D处的亮度，B_b为透明度盘所在位置深度D处的背景亮度，u_D为深度D处的上涌光相对量，ρ透明度盘反射率，E为到达透明度盘所在位置的太阳光辐照度，C_D0为透明度盘在深度D处的固有对比度。

6.根据权利要求1所述的基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，其特征在于，非均匀水体的对比度传输方程：

其中C_ri为第i层的相对对比度，C_D0为深度D处的固有对比度，σ_j为第j层的衰减系数，d_j为第j层的厚度。

7.根据权利要求1所述的基于非均匀水体对比度传输方程的海水透明度测量方法，其特征在于，基于比较结果，得到海水透明度的过程包括：

将相对对比度与人眼阈值进行对比，若相对对比度小于人眼阈值，则直接输出海水深度，即为海水透明度；若相对对比度大于人眼阈值，则将海水深度增加0.1m，重复执行海水透明度测量方法，直至计算出来的相对对比度小于人眼阈值。