2.7 光波在水中的传播

在水中传播的各种波中，纵波（声波）的衰减最小，因而声呐技术被广泛采用。而横波（电磁波）的衰减一般都很严重，以致在陆地上广为应用的无线电波和微波在水下几乎无法应用。然而光波却是一个例外，相对无线电波和微波而言，其衰减较小。特别是激光的出现，使水下有限距离内的测距、准直、照明、摄影以及电视等成为可能。不过由于水下传输光束特性的影响，这些应用仍受到很大限制，并与陆地上的应用有不同的特点。本节就光波在水下传输的一些特点作简略的介绍。

2.7.1 传播光束的衰减特性

如果传输距离较短，与在大气中传输一样，单色平行光束在水中传播的衰减规律也近似服从指数规律

式中，P和P0分别为传输距离等于0和l时的光功率，ε是包括散射和吸收在内的衰减系数。

习惯上，还用衰减长度L0表示水下传播光束衰减的大小，定义L0=1/ε（m）。其物理意义是：在一个衰减长度距离上，光束的功率将衰减到初始值的1/ε，显然衰减系数越大，衰减长度就越小。

衰减系数ε不但与水质有关，而且与传播光束的波长有关。表2-6所示为在水池中对自来水测得的各种光波长的衰减系数值，自来水的衰减包括纯水（蒸馏水）的吸收和微粒散射。图2-24所示为蒸馏水的光谱吸收特性。不同水质的衰减特性差异非常大，图2-25所示为不同海区中衰减长度随波长的变化情况。

从上述图表可见，紫外和红外波段的光波在水中的衰减很大，在水下无法使用。在可见光波段，蓝绿光的衰减最小，故常称该波段为“水下窗口”。从表2-6所示的数据不难求得0.4900μm和0.6943μm波长光波的衰减长度分别为11m和2m。这说明蓝光比红光在水中的传输性能要好得多。将式（2-136）作简单变换，就可得到光脉冲的作用距离方程

如果把式（2-137）中的P0和P分别理解为光发射功率和探测器的最小可探测功率，则L就是光脉冲在水下所能传输的最远距离。如果取P0=106W，P=10-14W，对于0.4900μm波长的光波，其作用距离可达500m，对于0.6943μm波长光波，其作用距离仅为80m，可见红光很难在水下应用。此外，水质不同，其衰减特性差异很大。由图2-25可知，远海区海水清洁，衰减距离较长，近海岸区海水浑浊，衰减长度大为减小。

2.7.2 前向散射

如果增大测量距离，并适当加大接收器的面积，则测量数据将偏离式（2-137）的计算值，所接收的功率将大于按该式所预计的值。其原因在于式（2-137）没有考虑前向散射的作用。为讨论方便，这里用照度来表示接收面上光辐射的大小。

光在传输方向上的散射称为前向散射，而在相反方向的散射称为后向散射。前向散射包含复杂的散射过程，如图2-26所示。单程散射而偏离光轴的散射的辐射由另外的散射体再次散射。有的多次重复这个过程，其中相当一部分重新进入光轴方向或稍微偏离光轴方向而进入接收平面，称此为多程散射。而初始的平行光束中直接到达接收面的辐射为单程辐射。这样接收面上的总照度Ee应为单程照度和多程照度之和，即

式中

其中，Ie为辐射强度；k为多程衰减系数；L为传输距离。用0.530μm绿光在湖水中测得ε=0.66 m-1，k=0.187 m-1。由此可见，前向散射使光束传输距离明显增大，传输距离越远，前向散射光的贡献就越大。这种效应对水下照明有利，但对水下光束扫描和水下摄影不利，它会使扫描分辨率和目标背景比度下降。

2.7.3 后向散射

水下传输光束的另一个特点就是后向散射较前向散射强烈得多。如在大雾中行车时，有经验的驾驶员一般是开亮尾灯而关闭前灯，他借助前车的尾灯可以看清楚前车，但若打开前灯，那么大雾强烈的后向散射光会使他什么也看不见。在水下后向散射更为强烈，而且入射光功率越大，后向散射光就越强。强烈的后向散射光会使接收器产生饱和而接收不到任何有用信息。因此在水下测距、电视、摄影等应用中，主要是设法克服这种后向散射的影响。措施如下：

① 适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射。

② 尽可能地分开发射光源和接收器。

③ 采用如图2-27所示的距离选通技术。当光源发射的光脉冲朝向目标传播时，接收器的快门关闭，这时朝向接收器的连续后向散射光便无法进入接收器。当水下目标反射的光脉冲信号返回到接收器时，接收器的快门突然打开并记录接收到的目标信息。这样就能有效地克服水下后向散射的影响。