由于探测技术的缺乏, 人类对海洋的了解还非常有限。海洋光学是研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律 和运用光学技术探测海洋的科学。海洋光学相关技术以光电子学测量方法为基础, 借助激光技术、近代光学信息 处理、卫星遥感等高技术手段, 是深入认识与了解海洋光学性质的重要工具, 也是促进海洋科学发展的重要推动 力之一, 现已成为各国关注和研究的热点。

作为一种分析技术, 激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy, LIBS)近年来在各个领域有着快速的发展, 在水下的应用也逐渐受到关注。对LIBS水下研究从实验室模拟到现场试验、从机理研究到技术发展都进行了回顾, 并以 中国海洋大学研制的深海LIBS原位探测系统LIBSea为例, 给出了LIBS系统在海洋探测中获得的典型结果, 最后对未 来5～10年LIBS水下研究方向进行了展望。

拉曼光谱是一种分子指纹光谱, 在物质成分识别和定量分析领域已得到广泛应用, 近年来也逐渐应用于深海极端环境 的原位探测。回顾了激光拉曼光谱技术的发展历程, 介绍了国内外已经研发的深海激光拉曼光谱探测系统, 并着重介绍 了各系统在深海冷泉、热液等极端区域对喷口流体、沉积物孔隙水、自生碳酸盐岩、水合物等目标物的原位探测和 应用, 最后总结了限制拉曼光谱技术在深海取得更多应用的因素, 可以为拉曼光谱技术未来的发展提供参考。

海洋水体光学性质测量是海洋光学理论发展的基础, 水体光学性质测量技术的提高, 也大大带动了其它海 洋光学技术及其应用的发展。回顾历史, 光电技术和光谱技术是水体光学测量技术的主要推动力, 海洋光 辐射传输理论的发展及水色遥感是水体光学测量技术的主要牵引力。论文重点对水体光学性质中基础量 的测量原理、方法及主要产品做了系统的介绍, 其中包括光谱辐亮度和光谱辐照度的测量方法、水体光谱 吸收的测量方法以及光谱散射性的测量方法等。最后, 给出了水体光学性质测量技术未来的发展方向, 为从事水体光学性质仪器开发、相关海洋光技术开发和用户等提供参考。

蓝绿激光位于海水低损耗窗口区, 由于水体吸收和散射, 光束在水下传输将发生时空扩展和波形畸变。基于蒙特卡罗仿真分析 了蓝绿激光海洋传输特性, 特别是激光发射参数对接收光场分布的影响。提出通过调节发射端的光束发射参数, 对发射光束进行 预聚焦, 可在一定程度上抵消水体传输引起的光束扩散影响。分析和仿真结果表明, IB水体中, 当预聚焦角度与水体小角度散射 特征值相当时, 可在设计汇聚距离前形成一段光束扩散缓慢的平坦传输区域; 当预聚焦角度大于小角度散射特征值的2倍时, 可在设计聚焦距离附近形成汇聚效果; 预聚焦角度越大, 汇聚效果越明显; 水体变差时, 相应有效汇聚距离变短。研究成果 为调控蓝绿激光信号在海水的传输特性提供了一种新的思路。

统一分析大气海洋高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的鉴频性能, 能够为大气海洋的联合探测研究提供帮助。 提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)鉴频器的大气海洋HSRL系统和算法, 用于反演海水和 大气颗粒的180°体积散射系数。该系统的核心在于采用混合-分子双通道接收信号, 其中分子通道 利用FWMI鉴频器滤除颗粒信号, 透过分子信号。研究表明, 反演误差会随着颗粒散射比(总180°体积散射 系数与分子180°体积散射系数之比)增大而线性增大, 而光谱分离比(分子与颗粒透过率之比)的提高能够显 著抑制误差的增长趋势。因为海洋的分子散射与颗粒散射在光谱上更加分离, 因此FWMI在海洋HSRL上的鉴频 能力高于大气HSRL。所提的基于FWMI的HSRL系统能够工作于水体和大气中, 对大气海洋激光雷达的性能提升有重要的意义。

海洋微藻研究对海洋环境监测以及生物资源利用有着重要意义, 显微共焦拉曼光谱作为一种非标记、 快速检测技术已在生命领域获得广泛应用。现阶段, 商业化显微共焦拉曼仪器在微生物研究领域占据主导, 但由于体积庞大、工作环境要求严格等因素, 很难开展微藻细胞的现场检测与分析。因此, 将微型 光纤光谱仪引入微藻“单细胞”的检测, 自主研发了一套小型显微共焦拉曼系统, 尝试低成本开发微 生物分析设备。整个系统基于微型光纤光谱仪实现了硬件的一体化小型设计(L750 mm×W350 mm×H410 mm), 具备光谱探测、显微成像、光镊捕获功能。通过四种典型微藻(中肋骨条藻、微拟球藻、东海原甲藻及小藻)的检测验证, 成功识别了“单个活体细胞”内的蛋白质、脂类、糖原、核酸等多种细胞组分, 相应的结果经过主成分分析 (Principal component analysis, PCA)后, 很好地实现了四种微藻的种类归属, 证明了光纤光谱仪应用于单细胞量级 海洋微生物分析的可行性, 并有望在将来发展成为船基设备, 用于微藻的甲板在线检测。

浮游藻类群落结构是评价海洋生态环境状况的重要指标之一, 现有的研究主要基于现场采样实验室分析, 缺少快速在线自动、 原位剖面以及遥感地面验证技术装备。针对浮游藻类群落结构快速获取与遥感数据地面验证需求, 研究了基于离散三维荧 光光谱法的海洋藻类群落结构现场快速测量方法, 研发了海洋藻类群落结构原位在线测量技术仪器, 并开展了应用示范 与对比验证。结果表明, 基于离散三维荧光光谱法的海洋藻类群落结构测量技术能够快速准确地获取藻类群落结构及叶 绿素含量, 与现有技术相比, 具有测量快速、准确、稳定可靠等优势, 为海洋生态环境监测数据获取及遥感数据地面 验证提供了先进技术手段。

在水体中添加适量絮凝剂和助凝剂将藻类絮凝沉降是藻华治理的常用方法。水体现场环境复杂, 影响絮凝效果因素较多, 能原位监测藻类絮凝过程有利于提高治理效果。以铜绿微囊藻为样本, 添加不同浓度的聚合氯化铝和高岭土形成絮凝体 悬浮液, 并利用偏振光散射技术观察不同絮凝体悬浮液的偏振参数。研究结果表明, 偏振参数可表征随着絮凝剂和助凝剂 用量变化而引起的不同絮凝过程, 显示偏振光散射技术描述藻类絮凝过程的潜力。该方法为藻类絮凝过程研究、藻华治 理监测、污染水处理、药剂开发等提供了一种非接触、无标记、快速的原位监测手段。