第1章绪论
1.1研究背景
水是生命之源，覆盖了地球表面的71%，是全球生态、资源、社会、经济、安全的重要发展空间。我国海域面积约473万km2，海域面积接近我国陆地面积的二分之一，大陆海岸线长度达1.8万km，壮大海洋经济、加强海洋资源环境保护、维护海洋权益事关国家安全和长远发展[1]。随着科技发展，世界强国基于光学技术的水下装备得到了高速发展，我国领水面临的安全威胁加剧，过去甚至“水下国门洞开”，对国家主权、安全、经济发展构成重大威胁。因此，亟须发展以水下安防为目标的涉水光学技术与装备。
涉水即与水相关，泛指包括海洋、江河湖池、云雨雾雪冰等在内的水体。涉水光学研究涵盖海洋、江河湖池、云雨雾雪、水分子等水体的光学特性，光在水体与跨介质中的传播机理，解决涉水领域中与光学数据获取、信息传输及处理有关的各种问题，是临地安防(vicinagearth security，VS)[2]体系中水下安防的重要支撑，对我国领水的防卫、保护、生产、安全、救援具有重要的意义。通过测量水体中传播光的相位、强度、频谱、偏振等物理量，获取水体环境中的影像、温度、振动、压力、磁场等参数信息，发展光学在涉水领域的传感、测量、探测、成像、光通信与信息智能处理等技术，助力推进海洋强国建设。
1963年，Duntley[3]发现蓝绿光波段在水中的衰减较小，可作为水体的透光窗口，涉水光学开始蓬勃发展。西方发达国家的相关研究部门，包括美国伍兹霍尔海洋研究所、法国海洋开发研究院、英国国家海洋研究中心等国际一流研究机构开始对涉水光学开展广泛深入的研究。在复杂的涉水领域中，涉水光学发展面临着水体对光高吸收、强散射的瓶颈问题，其发展现状远远落后于实际需求，亟须得到更多关注。
1.2水的特性
1.2.1水的特性研究简史
水作为一种*特的物质，在科学界和人类生活中一直受到广泛关注和研究。水的研究历史可以追溯到古代文明时期。
泰勒斯(Thales)被誉为古希腊哲学**人，是古希腊及西方**个自然科学家和哲学家，这位前苏格拉底哲学家主要因宣称“万物源于水”而为人所知。泰勒斯提出了“万物根源”理论，认为水是所有物质的基本元素，是万物的根本，并将其视为生命的源泉。通过观察自然现象，他认为水具有形成和改变物质的能力，成为世界的起源[4]。
文艺复兴时期的达？芬奇(daVinci)对水的观察和研究广泛涉及了水的流动、水轮机和液压力学。他记录了水的动态性质，并在工程和艺术中应用了这些观察结果。
17～18世纪，瑞士数学家丹尼尔？伯努利(Daniel Bernoulli)的研究成果对液体的流动理论有着重要影响，他在数学、物理学和力学领域都有重要贡献，被认为是18世纪欧洲数学和科学界的重要人物之一。他提出了伯努利定理，描述了液体在速度和高度变化时的压力变化[5]。
伯努利定理是流体力学中的基本定理，描述了在不可压缩、稳态、非黏性流体中，流体的速度和压力之间存在的关系。该定理以伯努利的名字命名，他在1738年*次发表了关于这个原理的研究结果。伯努利定理在解释飞行、涡轮机、水管流动等各种流体力学现象方面具有重要的应用。伯努利定理的基本思想是，在稳态的流体中，如果沿着流体的流线(流体粒子的轨迹)观察，当流体速度增加时，压力会下降；当流体速度减小时，压力会增加。伯努利定理可以用式(1.1)表达：
(1.1)
式中，P为流体的压力；ρ为流体的密度；v为流体的速度；g为重力加速度；h为流体元素的高度。这个公式表明，在沿着流体流线的任意两点之间，式(1.1)中每一项的和都保持不变。这意味着如果流体速度增加，压力会下降，如果速度减小，压力会增加，以保持整个表达式的值不变。
亨利？卡文迪什(Henry Cavendish)是英国自然哲学家和化学家，是*早测定氢气和氧气化学计量比的科学家之一。亨利？卡文迪什的研究集中在气体的性质和化学行为上，他在1781年进行的一系列实验中，成功地分离了氢气和氧气，并确定了氢气和氧气的化学计量比，这在当时是一个非常重要的发现，为化学定量分析和理解化学反应提供了基础。亨利？卡文迪什的实验发现，当氢气和氧气按一定比例混合并反应时，它们完全转化为水，而且反应前后体积之比接近于1∶2，这意味着水中氢和氧的质量比大约是1∶8，这与后来分子量的概念一致。这一发现为化学的定量研究奠定了基础，支持了元素的相对原子质量及分子理论的发展[6]。
19世纪初，英国物理学家迈克尔？法拉第(Michael Faraday)的电解水实验揭示了水的电化学性质，为电化学领域的发展做出了重要贡献。电解水实验是他在电化学领域的一项重要研究，为人们理解水的分解和电解现象提供了关键性的证据[7]。
迈克尔？法拉第的电解水实验是在19世纪20年代早期进行的，当时电和化学之间的关系还没有完全被理解。他知道，当电流通过液体电解质时，物质可能会发生化学变化，他进行电解水实验就是为了探究这一现象。法拉第的实验装置非常简单，使用了两个带有电极的水槽，每个水槽都有电解质溶液，通常是盐水。在一个水槽中放置氢气电极，也就是负极(阴极)，在另一个水槽中放置氧气电极，也就是正极(阳极)。通过外部电源连接，将电流通过这两个电极，使得电解质溶液中的离子开始移动。在负极(氢气电极)附近，水中的氢离子(H+)被还原成氢气(H2)，生成氢气气泡。在正极(氧气电极)附近，水中的氢氧根离子(OH.)被氧化成氧气(O2)，生成氧气气泡。法拉第观察到，在负极(阴极)和正极(阳极)附近分别产生了氢气和氧气气泡，生成的氢气和氧气体积比非常接近2∶1，这表明水分解的化学反应可能是：
(1.2)
法拉第的电解水实验证明了水可以通过电解分解成氢气和氧气，从而证实了电与化学之间的密切关系。这个实验不仅支持了他的电磁学理论，还为电解现象和化学反应之间的联系提供了关键的实验证据。这项实验对于后来电化学领域的发展有重要影响，为电解过程和电解质溶液的研究奠定了基础。
法国化学家路易斯？巴斯德(Louis Pasteur)在19世纪晚期的研究中深入探索了水的微生物学和消毒学，他的研究工作对公共卫生和疾病控制产生了深远影响，是微生物学的奠基人之一[8]。他研究证实了微生物是疾病的病原体，而不是简单地由腐败产生；揭示了微生物与疾病之间的关系，这对医学卫生产生了重大影响。他提出了巴氏消毒法，即通过加热来杀灭或去除微生物从而防止感染的方法。这一方法在手术、食品加工和饮用水处理等领域中得到了广泛应用，大大改善了公共卫生状况。
到了现代，科学家使用先进的实验技术，如X射线衍射和核磁共振，在20世纪中期对水的分子结构进行了详细研究，发现水分子由一个氧原子和两个氢原子构成，并呈现特定的角度和极性。
1.2.2水分子的结构
水是一种常见的无色、无味、透明液体，是地球上*重要的化学物质之一。水是一种*特的物质，具有多种物理化学特性。一个水分子由一个氧原子和两个氢原子构成，分子式为H2O。水分子结构呈V字形，其中氧原子位于分子的中心，两个氢原子以约104.5°的角度与氧原子相连。这种结构使得水分子具有不对称性和极性。
水分子是极性分子，氧原子比氢原子更强地吸引共享的电子对，这使氧原子部分带负电，两个氢原子则部分带正电。这种不均匀的电荷分布使水分子呈现偶极矩，即正负两极的分离。极性使得水分子能够与其他极性物质或离子发生相互作用，如形成氢键、溶解其他极性化合物等。水分子氢氧键如图1.1所示。
氢键是水分子中氧原子与另一个水分子的氢原子之间的相互作用力。氧原子的部分负电荷吸引附近氢原子的部分正电荷，形成了氢键。氢键比普通的偶极-偶极相互作用力更强，因此水分子之间的结合力较强。
图1.1水分子氢氧键由于水分子极性和氢键的存在，水能够与其他化学物质形成水合物。水分子可以包围和溶解许多离子和极性分子，形成水合离子或水合物。水合作用在生物体内起着关键作用，如蛋白质折叠和酶的催化过程。
水分子的氧原子周围有四对电子，其中两对电子被氢原子共享，另外两对电子呈孤对。这种孤对电子的存在使水分子具有共振结构。共振结构使得水分子在化学反应中能够参与电子的重新排列和共享，从而影响水的化学性质和反应能力。水分子的特殊结构赋予了水许多*特的性质，如溶解能力强、沸点高、比热容大和表面张力大等。这些性质使水成为地球上生命存在的基础，同时对许多自然现象和环境过程起着重要作用。
1.2.3水的物理化学特性
1.熔点和沸点
熔点和沸点是物质的两个重要温度参数，用于描述物质在升温和降温过程中发生相变的情况。
熔点是指物质从固态到液态相变时需要达到的温度。在熔点以下，物质处于固态，分子或原子通过相互作用紧密排列，形成规则的晶格结构；当温度升高到熔点以上时，物质的分子或原子能量增加，晶体结构被破坏，物质转变为液态。水的熔点是0℃，即标准大气压下水从固态转变为液态需要达到的温度。
沸点是指物质从液态到气态相变时需要达到的温度。在沸点以下，物质处于液态，分子或原子之间相互作用较为紧密；当温度升高到沸点以上时，液体内部的分子能量增加，足以克服液-气界面的吸引力，物质转变为气态。标准大气压下水的沸点是100℃，即水从液态转变为气态需要达到的温度。在沸腾过程中，液体内部的分子能量增加，液体表面空气与水之间的压强等于蒸气压，使水分子能够跃入气相。
熔点和沸点都是与水的压力相关的。随着压力的变化，水的熔点和沸点也会相应改变。例如，在高海拔地区，由于大气压力较低，水的沸点降低。
2.相变热
水的相变热是指在常压下，单位质量的水从一个相态转变到另一个相态吸收或释放的热量。对于水来说，有三种常见的相态转变：融化(固态到液态)、汽化(液态到气态)和凝华(气态到固态)。
水的相变热表示相应的相变过程中每克水吸收或释放的热量，相变热的大小取决于物质的性质。水的相变热相对较大，说明水分子之间的结合比较牢固。水的相变热对地球上的生态系统和气候具有重要影响。当水从液态转变为气态时(汽化过程)，大量热量被吸收，发生蒸发和蒸腾现象，从而产生降水和影响气候。相反，当水从气态转变为液态或固态时，相变热被释放，起到降温的作用。
3.密度和比热容
常温下，水的密度约为1g/cm3(或1000kg/m3)。需要注意的是，水的密度随着温度的变化而略有波动。一般情况下，水在4℃时具有*大密度，随着温度下降或上升，密度都会减小。这种特殊性质使得冷水比热水更密集，是湖泊和海洋在寒冷气候中结冰的原因。海水的密度受到多个因素的影响，包括温度、盐度、压力等。通常情况下，海水的密度在1020～1030kg/m3。这个范围内的密度变化相对较小，但它对海洋环流、混合和物质运输等过程都有很大的影响。温度是影响海水密度的重要因素，一般来说，温度越高，海水的密度越低，因为热使水分子的平均热运动增强，分子的间距变大。在同样盐度的条件下，温度升高会使海水密度降低。盐度也是影响海水密度的关键因素，盐度越高，海水的密度越大。此外，随着深度增加，海水受到的压力增加，这会使海水的密度略微增加。
比热容是指单位质量物质升高1℃需要吸收或释放的热量。水的比热容相对较大，约为4.18J/(g？℃)。这意味着单位质量的水相对于其他物质，如金属或空气，需要吸收或释放更多的热量来改变其温度。因此，水能够储存和释放大量的热量，从而对环境温度变化具有缓冲作用。这一特性使得水成为许多传热和热能转换过程中的重要介质。海水的比热容受到温度、盐度和压力等因素的影响，通常在3.9～4.2J/(g？℃)。这个范围内的比热容变化较小，但它对海洋的热传递和储存具有重要影响。温度升高会使分子的平均热运动增强，使得单位质量的海水吸收或释放的热量较少。因此，温度越高，海水的比热容
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