自然科学和工程科学的一个跨学科领域：海洋光学大有可为!《水下光学与成像》正式出版！

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) C  S3 G0 m  K: |" Q从太空中观察地球，占据着71%地表面积的广袤海洋呈现出一种深邃的蓝色，令人心驰神往。海洋既是地球生命的摇篮，也是人类社会未来可持续发展的宝藏库，自古以来便吸引着人们探索的目光。作为海洋科学的一个重要分支，海洋光学在不断研究和探索过程中发展起来，已成为保护海洋环境和开发海洋资源的重要手段。
: Y5 ^% a- j$ _5 ^0 b水下光学史
2 n6 \8 n1 ]4 C在1600～1930年间，从培根爵士(Sir Francis Bacon)到拉曼(Chandrasekhara Venkata Raman)等探险家和科学家对自然水域透明度和色彩问题进行了探讨与研究。以下为这一期间的一些重要记录与思考。
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  : g2 o; u: x9 d& i# J1704年牛顿(Newton)发现：水能够反射紫色、蓝色和绿色光线，微弱地传递红色和黄色。
  
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  2 c/ j# d$ p& Z: a, F; s; R( \1832年梅斯特(Xavier de Maistre)发现：水的反射色是蓝色，透射光呈淡黄色(与牛顿说法一致)，空气中的湿气使它呈现蓝色，因此在水中溶解的空气使它呈现蓝色。
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  1721年哈雷(Halley)在一定深度的潜水钟中观察，发现：向下的太阳光照在我的手上，呈玫瑰红色；同时，向上的光线照在手的另一边，呈绿色。
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  , i8 l' w' j* p, U5 k$ V9 T  [1847年梅罗尼(Melloni)发现：潜水钟里的高压一定影响了哈雷的观察。
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  Davy 是第一个认为蓝色是最清澈的自然水的颜色，并且认为水中有机物质的含量可以使蓝色变成绿色、黄色和棕色的人。1860年，Wittstein 对不同类型的水进行了光和化学分析实验，得出了同样的结论。
  
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  $ W3 c! O1 i6 w+ YArago 发现：水是一种荧光介质；反射的颜色为蓝色，透射的颜色为绿色。
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  Arago(1858)描述：在“维纳斯”(Venus)前往南美的航行中，航海家们报告称，智利海岸的卡亚俄(Callao)附近有一片橄榄色的海洋。在这些地区，水一点也不纯净，含有一种绿色的悬浮物质，这种物质在130英寻深的海底也可以找到。
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  9 v0 ?! a: Z5 ?: H/ k8 }6 `% AWittstein(1860)发现：水呈现黄色到棕色是由于腐殖酸的存在。
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  % m: T' w! |' q6 v8 L9 D. L无色矿物不影响水的表观颜色。有机物越少，水越蓝。水的颜色也取决于光照的变化和表面粗糙度的变化。
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  * d% n# G, y- L* |: ]  q  \1 U- tBunsen 首次尝试利用充有蒸馏水的黑色管观察瓷器，结果表明蓝色是最纯净的水的表观颜色。
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  + W/ ]1 D. }: f4 iTyndall(1870)发现：如果水中没有粒子存在，那么我们就会看到黑色。
  
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  ( E0 t' A) u0 {5 b) ZBoas(1881)发现：水吸收和反射的颜色可以是不同的。
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  " J' U0 f  u# ^2 p5 `Strutt(1910)描述：如果海洋里的水是非常清澈的，那么海洋里就没有什么东西可以把光反射回来，因此，在这种情况下，海洋的颜色就看不见了，而深海中的深蓝色仅仅是反射的“天空的蓝色”。
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  ( P* w* c/ Z- C; ^5 qRaman(1930)发现：分子作用产生了水的蓝色。总之，由于分子吸收，穿透水体的阳光的光谱发生了变化，分子吸收了较长的波长。同时，由于分子对蓝色光的后向散射机制，水的反射光发生改变。
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6 }. N0 F& V5 V从近海到深海大洋，从湖泊到河流，我们在了解、利用和保护水生环境的过程中面临着许多挑战。不断开发新的技术和仪器，能够使我们探测和监测全球海洋和湖泊的特性和行为，并有助于对其充分利用，使之成为未来能源、矿物和粮食可持续发展的来源。其中，用于视觉、成像和感知的光学方法、光学仪器和光电器件变得越来越重要，在我们理解和开发海洋的过程中起到的作用越来越明显。
虽然使用光学技术研究的“水下(subsea)”环境有着悠久而卓越的历史(可以追溯到古希腊和罗马时代)，但可以肯定是，正是1960年发明的激光，以及并行发展起来的电子探测器和高性能计算机，才使得光学手段成为水下调查的前沿技术之一。从那时起，光学科技得以迅猛发展。如今，光学和激光几乎影响了现代生活的各个方面，无论陆地、太空，抑或水下。
0 ]5 D1 q8 L- U: w目前，海洋探测技术蓬勃发展，其中，声学探测技术最为成熟，应用也最广泛，然而光学、电磁、重力、磁场等多种技术也在快速发展。光学手段是海洋探测的重要技术之一，光谱成像技术、激光成像技术、全息成像技术、流场测量技术、光纤传感技术等新型光学技术，与传统成像技术、电子技术、计算机技术相结合，将帮助我们更加精准地认识、探测海洋。海洋光学领域大有可为。

/ w1 Q1 W* `( ?7 y/ ?. N& ]中国工程院院士 姜会林
2022 年10 月于长春
* |3 W% ]2 x. G% c4 l" m光学活动的蓬勃发展引发了新型传感器和新的解决方案不断涌现，包括全息成像、水下激光焊接、光纤传感、激光扫描、光谱探测、激光测距和三维成像等不同领域。成像技术已经成为水下探测作业的重要工具，为水生生物的调查评估提供了一个新的视角。高光谱传感技术提高了人们对光及其与生物地球化学成分相互作用的理解，有助于全世界应对气候变化和减轻危害。这些进展，在约翰·沃森(John Watson)和奥利弗·杰林斯基(Oliver Zielinski)编著的Subsea Optics and Imaging（《》）书中都有所描述，它们均得到了半导体技术、纳米技术和其他技术快速发展的支持和推动，并有望在未来十年里转化为更为先进的光学仪器。
- V" H* J9 ~( Q% @8 @2 V  j本书是该领域学生和工作者的入门参考书，同时也对最新趋势和技术进行了综述。本书由该领域的著名专家撰写，回顾了特定领域的进展情况，以便从基本的背景原理过渡到对具体技术的深入了解。请注意，这里的“水下(subsea)”一词通常用于水下技术、设备和方法的表述中，无论它们是在海洋中还是在淡水中。在本书中，我们将“水下光学”作为自然科学和工程科学的一个跨学科领域，侧重于在环境和工业目标的背景下利用水面以下的光。
近年来，我国提出深海战略和海洋强国建设目标，使得“深海进入”、“深海探测”和“深海开发”的进程进一步加快。国内众多高校更加重视海洋学院及涉海专业课程的建设，一批涉海高校也在筹备之中。目前，我国在全海深自治式潜水器(AUV)、遥控潜水器(ROV)、载人潜水器等深潜装备的研制方面取得了巨大的进展，标志着我国的深潜技术进入世界先进行列。海洋领域的蓬勃发展为海洋光学成像与探测技术带来重大机遇，也提出巨大挑战，亟须大批海洋光学方面的专门人才，也需要相关的参考书。经过广泛的调研，我们认为，约翰·沃森(John Watson)和奥利弗·杰林斯基(Oliver Zielinski)编著的Subsea Optics and Imaging这本书内容深浅适中，并且包含大量新的研究结果，有必要将其译成中文以方便国内读者参考。希望本书的出版能够为我国海洋光学领域，特别是水下光学成像与探测方向的研究人员提供一本合适的参考书，辅助他们在专业领域进行更深入的研究。
- ^& x( ~/ i, P6 I2 ]) w! f: l《水下光学与成像》译者
& Q$ p1 J4 u) `6 f9 [本书分为三个部分。第一部分简要介绍了水下光学和成像的概念，并将其置于历史背景下。关于水下光学(第1 章)和水下成像技术(第2 章)的两个介绍性章节分别由奥利弗·杰林斯基(Oliver Zielinski)和约翰·沃森(John Watson)两位主编提供，第3章概述了海洋光学和水色研究的历史。
' V6 B" a# a2 g# M: Q8 n  G+ O. d# w第二部分包括以生物地球化学和环境为主题的章节。首先概述了水下光场和光学特性的测量，以了解光在水中传播的性质(第 4 章)；接着概述了有色可溶性有机物(第 5 章)和海水营养物质的评估(第6 章)；然后总结和讨论了水下生物发光的特性 (第 7 章)、有害藻华及其影响的评估(第8 章)；最后概述了研究海洋环境中悬浮沉积物、湍流和混合物的光学技术(第9 章)。
第三部分包括光学系统和成像主题的所有章节。基于摄影和录像的传统成像技术(第10 章和第11 章)以及基于数字全息成像(第12 章)、激光线扫描(第13 章)或距离选通成像(第15 章)等先进成像技术，是我们研究海洋及其对环境影响的关键工具。它们可以为水生生物监测、海底地形图绘制、天然和人工结构物测量提供新的视角。在更广泛的应用背景下，联合声学或其他物理/电子学手段，光学传感器可以对环境进行高分辨率监测和快速评估。这些传感器可以集成到自主或远程控制的观测平台或全球观测网络中(第19 章)。最近，通过观测平台组网，能够对来自数十个传感器的数据进行整合。数据采集与可视化、水下光通信乃至整个领域的进步，对我们的发展至关重要。从传统的二维成像到三维成像，水下成像和传感技术在其中扮演着至关重要的角色。拉曼光谱(第16 章)和高光谱成像(第20 章)等技术提高了我们对光及其与生物地球化学成分的相互作用的理解。激光多普勒测速(LDA)和粒子图像测速(PIV)(第14章)、光纤传感(第17 章)和激光雷达(第18 章)等新型光学技术在拓宽我们对海洋的理解方面起到重要作用。最后，以关于荧光方法学的一章(第21 章)结束本书。

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▲ 2010年4月在挪威霍帕瓦根建立了用于观测海底感兴趣对象的生物地球化学特性的水下高光谱成像仪原型图。(a)安装在水下轨道车上的水下高光谱成像仪，并配有人造光源，可供现场观察。水下成像光谱仪探测到的光信号是由感兴趣对象的反射光和水体散射光的组合。来自光源的光被感兴趣对象散射后经传感器收集，得到感兴趣对象的光谱特征。(b)显示了4 个区域，其中每个区域包含不同的基质、矿物质、锰结核和动物体(如珊瑚、海绵、海蛇尾、海星、海带和贻贝)
5 ]1 g: I% q) E, O/ G通过光学技术的应用来研究海洋环境和光的相互作用将获益良多，其中包括提高海底作业的效率，加深对海洋在全球碳循环中的作用的认识，高效测量海水中的颗粒和溶解物，以及更高分辨率地监测污染物排放和扩散。因此，水下光学可以为全球安全做出重要贡献，促进海洋资源的保护和可持续管理，并有助于满足海洋监测对气候变化反应的需要。我们希望本书能展示光学在水下环境监测和保护中的能力和重要性，并激励和促进水下光学、成像和视觉的研究和应用。
7 y0 G5 \# m* U7 u# C山东大学光学工程学科的相关研究人员与国家深海基地管理中心丁忠军研究员一起，在认真研读及广泛调研的基础上，完成《水下光学与成像》的译著，该书涉及水下光学的基本理论、典型水下探测与成像系统的实现方法及实际应用，可作为高等院校光学工程、海洋环境科学与技术、测绘科学与技术、光电探测技术等专业本科生及研究生和从事光学工程、海洋环境科学与技术、测绘科学与技术等专业技术人员的参考书。该书对我国科研人员系统了解海洋光学的研究进展和发展方向、开展海洋光学方面的相关研究具有重要指导意义。

中国工程院院士 方家熊
$ O0 o) C. @, ^8 T3 x" H5 |2022 年10 月于上海
本文摘编自《水下光学与成像》[(英)约翰·沃森(John Watson)，(德)奥利弗·杰林斯基(Oliver Zielinski)编著；刘兆军，丁忠军，赵显译. 北京：科学出版社，2023.3]一书“前言”“序一”“序二”“第3 章 水下光学史”“译者序”，有删减修改，标题为编者所加。
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ISBN 978-7-03-070957-8
: {( `) z0 G$ v+ N, m. A责任编辑：陈 静
本书对水下光学与成像的关键原理、技术及其应用进行了综述。全书分为三个部分共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。本书从光学基本原理和背景过渡到对具体技术的深入解读，可作为从事水下光学和成像技术相关专业的科研人员和高校师生的参考书。
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信息来源：科学出版社。