1、河南科技大學本科畢業設計（論文）復雜海洋光場建模方法及其應用探索摘 要進入二十一世紀后，新科學技術革命崛起的步伐越來越迅速，世界各國之間的競爭不單單是領土的爭斗，特別是隨著全球自然資源的日漸匱乏，海洋作為高新技術產業發展的重要領域，開始吸引越來越多的國家加入對海洋科技的競爭。海洋光場的研究在氣象、軍事、農業、影視娛樂等行業都有著廣泛的應用需求。近來，國內外在海洋環境的建模和仿真方面已有很多研究，但主要涉及光的傳輸特性，更側重于水面光影效果的模擬或致力于生成空氣介質中真實感的三維動畫，而很少涉足動態海洋光場的建模問題。本文主要研究風海波影響下的海洋動態光場建模方法，通過對光場立體剖面的建模、洋流

2、運動的建模、溫鹽密特性物理分析及任一平面內光場輻射度仿真等定性與定量研究，建立一種粗粒度的動態光場實時仿真模型，利用matlab軟件開發基于該模型的交互式水下光場剖面仿真系統，實現復雜海洋光場動態特性指標的系統化表征。通過展示XY面、XZ面和YZ面的光照輻射度隨海洋特性變化的動態仿真圖，為全立體海洋光場實時繪制提供技術支撐，可用于實現水下航行器深海環境探測任務。利用matlab計算建模方法，更簡單直觀，可實現動態效果及人機交互。關鍵詞：海洋光場，風海波，建模，動態，matlab仿真 Exploring the Modeling Method and its Application to Com

3、plex Marine Light FiledABSTRACTSince entering the 21st century, the rise of the pace of the new science and technology revolution has been increasingly rapid. What's more, the competition among countries all over the world is not only a territorial fight. Especially with growing scarcity of natu

4、ral resources in the world, marine as an important area of high and new technology industry development, has began to attract more and more countries to join the competition of marine science and technology. The research of marine light field in the military, agriculture, meteorology, film and telev

5、ision entertainment industry has a wide range of application requirements. Recently, there are a lot of research in the modeling and simulation of the Marine environment at home and abroad, but they mainly relate to optical transmission characteristics, and focus more on the surface of light and sha

6、dow to simulate or to generate realistic 3 d animation in air medium, which seldom dabble in dynamic ocean modeling problems of the light field. This paper mainly studies modeling methods of the ocean dynamic light field under the influence of wind waves. Through qualitative and quantitative researc

7、h of the light field three-dimensional profile modeling, the modeling of ocean currents, thermohaline characteristics physical analysis and any plane light field radiation simulation, ect. we can establish a coarse-grained dynamic real-time simulation model of optical field and develop interactive u

8、nderwater light field profile simulation system based on the model by using MATLAB software, which can realize complex marine light field systematic characterization of dynamic characteristics of indicators. By showing the XLAT plane, the XZ plane and the LATZ plane light radiation intensity dynamic

9、 simulation diagrams changing with Marine features, it provides full three-dimensional ocean light field real-time rendering technical support, which can be used to help the deep underwater vehicle implement environment detection tasks. What's more, MATLAB calculation modeling method is more sim

10、ple and intuitive, which can realize the dynamic effect and human-computer interaction. KELAT WORDS：marine field, wind sea, modeling, dynamic state, MATLAB simulation10目錄 前言1第1章 復雜系統的建模與仿真方法16,174§1.1 復雜系統的簡單說明4§1.2 建模與仿真6§1.2.1 仿真的基本概念6第2章 MATLAB/SIMULINK建模仿真技術11§2.1 MATLAB/SIML

11、INK概述11§2.1.1 MATLAB簡介11§2.1.2 MATLAB編程環境的特點11§2.1.3 SIMULINK仿真工具簡介13§2.2 MATLAB/SIMULINK的建模方法15第3章 海洋水體中光的傳輸特性17§3.1 海洋中的光及其重要作用17§3.2 海洋中光的傳輸特性17§3.3 Monte Carlo模型18第4章 交互式動態海洋光場建模21§4.1 海洋光場模型的建立21§4.1.1 基于stokes理論的光場二維數學模型的建立21§4.1.2 基于MATLAB的光場二

12、維剖面22§4.2 風海波影響下海洋動態光場的建立25§4.2.1 三維海洋波浪曲面的生成25§4.2.2 三維海洋光場圖形的獲得26§4.2.3 三維海洋光場動態圖的制作28結論30參考文獻31致謝33前言覆蓋地球表面71%的海洋是人類生產和生活不可缺少的領域。作為生命的起源地，海洋對人類的影響將會隨著時間的推移而不斷的快速增長。近年來，隨著礦產資源的日益匱乏、生態環境的遭受到越來越嚴重的破壞，陸地可開發利用的資源越來越少，海洋成了人類社會持續發展的希望。眾多領域的國內外專家都預言說，人類的新世紀將是海洋的世紀，人類的明天將主要依靠海洋。眾所周知，除了

13、蘊藏豐富的海洋資源以外，遼闊的海域起著調節全球氣候、保持水循環的作用，而且還是交通的通道、防御外敵入侵的天然屏障，所以越來越多的國家卷入爭取海域行使權的戰爭中。但是，擺在我們面前的現實說明如何正確、合理地開發利用海洋、發展海洋事業才是人類的文明進步的大事。光場（light field），于1846年最早由法拉第給出的定義，是指光在每一個方向通過任一點的光量。研究海洋光場首先要了解海洋光學。海洋光學1（或者說是水文光學），是一門研究光與自然水體如何互相作用的學問。過去以及現在乃至未來對海洋的研究重點一直在海洋的許多經濟和軍事應用方面。大部分人只知道海洋生產大多數人類日常生活需要的魚，卻不知其生產

14、最終是由極其微小的藻類如何吸收和利用太陽光所控制的。而且，為了確保國家安全，人們一直在尋找如何進入和利用海洋的方法。這類探索活動要求用可見光入射到海洋以此去探測和發現潛在的威脅，或是搞清楚具有戰略戰術價值區域的特征。 海洋光場先進的可視化技術在氣象、農業、軍事、影視娛樂等行業都有廣泛的應用需求。虛擬的海洋環境主要由波動海面、海面的反射和折射、海空云霧、太陽等組成。基于已有的海洋光場的氣象數據，可以運用物理學和圖形學相結合的方法構建海洋環境的海面、光照效果等的三維可視化模型，來處理海面波動、光反射和折射等可視化實時仿真難題。本文主要研究風海波影響下的海洋動態光場建模方法，通過對光場立體剖面的建模

15、、洋流運動的建模、溫鹽密特性物理分析及任一平面內光場輻射度仿真等定性與定量研究，建立一種粗粒度的動態光場實時仿真模型，利用matlab軟件開發基于該模型的交互式水下光場剖面仿真系統，實現復雜海洋光場動態特性指標的系統化表征，可用于水下航行器深海環境探測任務。所生成的動態海洋光場模型真實性良好，且能滿足計算機仿真的可視化、實時性等要求。 近年來，隨著科技的不斷進步，國內外在海洋環境的建模和仿真方面已有很多研究。如，楊懷平2等人應用海浪頻譜和方向譜的相關公式，完成了基于海浪譜的波浪造型及其顯示的研究；王茂生3提出三維海洋虛擬現實場景建模及初步實現研究，實現了海洋海底場景的虛擬再現；郭松4的水下非均

16、勻光場建立方法的研究，提出了新的目標圖像探測方法，并基于該研究方法提出了一種理想的分布光場模式在水下三維空間坐標軸上按所在水介質光衰減規律分布的非均勻照明光場。 在海洋光場的研究上，D. Arnush5通過研究米氏粒子散射環境中的光輻射傳輸，并假設小角度散射，得到了海水中傳輸光場的近似解析解。Jerry Tessendorf6采用快速傅里葉變換法生成了平鋪的高程圖，并隨后對海浪進行了建模和仿真。Vladimir Belyaev7通過對Jerry的海浪研究的分析，對構建的水面網格進行了層次化、細節化處理，并加入了光在水面發生反射和折射的效果，進一步提高了模擬水面的真實感。Kei Iwasaki8

17、利用計算機中圖形繪制的硬件設施，對小面積水域進行研究分析，成功實現了對水面折射、反射光影效果的快速模擬。 在海洋光場建模方面，MOREL9,10做出了很多貢獻，為后人的研究做了很好的鋪墊。他成功仿真出了波長為490nm的光在海洋中進行輻射傳輸的光學特性。海洋是一種復雜的生態系統，而且變化多端，所以對光場的建模更是存在很大的困難。海面環境較之陸地地形等其它實物是一種極其復雜的自然環境，因為海平面十分廣闊，并且由于風的作用海水水體的形狀是不斷變化的，形成的海面形狀也是隨機的、動態的。海水的波動是受到各種力的作用而綜合產生的，同時海面也會與水面上方的物體，周圍環境中的物體相互作用，相互影響，產生各種

18、各樣的視覺效果，而且基于水力學的海水模型通常都是非常難解的偏微分方程，所以對海面的模擬十分困難，對海面下光場模型的建立也很困難。Martin Hieronymi和Andreas Macke11通過多次仿真，并分析實驗結果得出如下結論：在水下，光是可變的，而且光的可變性由水面的形狀即波動聚焦效果的特殊性決定，而且相應水紋強度的增加與否以及光的可變性分布情況都取決于不規則水波場的形狀，而光的特殊時空波動狀態很大可能是由疊生單一波形造成的。運用物理及地理方面知識對近海測量以及進行計算機仿真實驗，P. Gerne 和D. Antoine 12總結出了水下光場強度與水深的衰減關系并得到了光場的衰減系數，

19、由此構建出了光線在波動海面下傳輸的光照模型。 近幾十年來，針對光場模型繪制的方法，人們提出了許多研究方案。但這些傳統的方法更側重于大氣-水面光影效果的模擬或對海洋場景的探測，而對水下光場及光影的動態效果建模問題涉及較少。更準確的說，上述這些國內外研究理論模型只對實際的光傳輸情況作了近似處理，而很少涉足動態海洋光場的建模。 本文主要針對風海波影響下的海洋光場，進行動態海洋光場建模方法的研究，通過對光場立體剖面的建模、溫鹽密特性物理分析及任一平面內光場輻射度仿真等定性與定量研究，建立一種粗粒度的動態光場實時仿真模型。利用MATLAB軟件開發基于該模型的交互式水下光場剖面仿真系統，以此實現復雜海洋光

20、場動態特性指標的系統化表征。 大致實施步驟為：1，分析光場的傳輸特性，為建立光場數學模型做準備。2，將變化復雜的海面實際系統構建成簡單的數學模型。3，利用已經建立的數學模型，通過MATLAB仿真軟件繪制出海洋光場的二維剖面圖，并進行色彩處理，使得到的圖形更真實。4，將二維圖形方程拓展為三維的形式，和步驟三相同進行MATLAB仿真，得到立體的海洋光場圖。第1章 復雜系統的建模與仿真方法16,17§1.1 復雜系統的簡單說明1.系統概念系統類似于數學上的集合，具有某些特定的功能，并能將相互之間有影響、有依存關系的若干部分按照一定的規律結合起來。嚴格來說，系統是完整的、有序的、不可分割的整

21、體。它是一個廣泛的概念，可以泛指自然界的一切現象和過程。在現代科學研究和工程實踐中，系統框架幾乎可以解決各個領域存在的各種問題。各種工程系統、社會經濟系統等此類系統是由人工制造的各類物體組成的。有的系統完全由自然界和自然物構成，如星際系統、生態系統、海洋系統等。2.系統分類系統千差萬別，種類繁多，有非常簡單的也有十分復雜的。系統是普遍存在的。按照不同的分類方法可以將系統分成不同的類型。根據物理特征，系統可分為工程系統和非工程系統。其中，電氣、機械、化工等方面的系統都屬于工程系統。社會、交通、管理、生態等方面的系統屬于非工程系統。由此可知，海洋光場屬于非工程系統。根據系統的狀態變量是否連續變化，

22、分為連續系統、離散系統和連續/離散混合系統。由于海洋中的風海波、溫度、鹽度、密度等干擾因素以及狀態變量的離散性，可知海洋光場系統是復雜離散的非工程系統。3.系統的基本特征一個完整的系統，通常都具有整體性、相關性、有序性和動態性四個基本特征。實際應用中，任何系統都存在著實體、屬性、活動三個方面的研究內容，稱之為系統的三要素。實體是組成系統的具體對象，如海洋光場中的海洋、陽光和一切干擾因素如風等都屬于實體；屬性是系統中的實體所具有的特征或狀態參數；活動則反映了系統的變化規律，是指系統由一個狀態變化到另一個狀態的過程，如光從大氣經海面發生折射反應進入海水的過程就是一次活動。組成系統的各個實體之間通常

23、會發生相互作用，比如在太陽光進入海水時，會被海水吸收一部分，還會由于大氣和海水介質的折射率不同而發生光線的偏折，實體屬性的這些變化一般用狀態變量來描述。在對系統進行研究過程中，除了要對系統的實體、屬性、活動進行詳細研究外，還要研究影響系統活動的外部條件，這些外部條件被稱為環境。如本文研究中，除了要了解海洋的特性，光的傳輸特性，還要對影響海洋光場狀態的風速、洋流運動、海水的溫度、鹽度、密度等有充分考慮。從嚴謹的科學態度上說，研究系統最關鍵的部分是研究系統的動態變化過程。即，光在大氣、海洋表面、海水中的一系列反應。其實，介紹系統概念最主要目的是能更加深入的認識系統并熟練掌握系統的運動規律。復雜工程

24、、自然界和現代社會中存在著各種各樣復雜的問題，為了更準確得心應手地處理這些棘手的問題，不僅要對實際系統進行定性地了解，還要定量地分析、綜合所要研究的系統。其中，建立系統模型是定量分析、綜合系統等眾多辦法中最方便、合適的方法，對系統模型的解算可以使用數值計算和計算機仿真的方法。4.系統模型系統模型是計算機仿真所要研究的直接對象，它是對實際系統的一種抽象。通過分析系統某種特性，或對系統本質和內在關系的描述，系統模型可以用來研究系統功能及其各部件間的作用規律。為了定量分析系統，需要構造出系統的模型，而構造模型的關鍵是將系統本身的特點和內部的相互關系抽象起來。系統模型可分為物理模型又稱為實體模型，數學

25、模型以及虛擬模型（或仿真模型）三大類。其中，物理模型18指不以人的意志為轉移而客觀存在的實體。如，海洋光場中建立的大氣-海洋模型。數學模型是更清晰、更實用的模型，它主要運用的是數學方法，從某種特定的功能或結構上對實際系統進行模擬，從而使原來真實系統的功能或結構特征以數學的形式重新實現。仿真模型指的是應用仿真語言將系統已經建立的數學模型轉換為可以被計算機實施的模型。由于計算機技術的快速發展，數學模型被應用的機會越來越多。在海洋光場模型的建立過程中，首先就是要把復雜的海洋模型轉化為物理模型，然后再轉化為數學模型進行仿真實驗的。§1.2 建模與仿真現代建模與仿真技術是建立在相似原理、模型理

26、論、系統技術、信息技術以及建模與仿真應用領域的有關專業技術的基礎之上的一門多學科的綜合性技術。現代建模與仿真技術依靠計算機系統，應用相關的物理效應設備及仿真器等工具，利用已經建立的相關模型參與到已有的或假想的系統中進行分析、研究、設計等各種生產研發活動。 近五十多年來，建模與仿真技術已經得到了越來越多科學應用領域的普遍需求。因為有關學科技術的日漸成熟，使在它們推動下的建模與仿真技術迅速發展成為相對全面的專業技術體系，并迅速地發展為一項通用性、戰略性很強關鍵技術。建模與仿真技術與高性能計算（ High Performance Computing ）一起成為了科學領域中繼理論、實踐性實驗研究之后的

27、第三種認識，而且成為了改造客觀世界的重要手段。它在航空、航天、信息、生物、材料、能源、先進制造等高新技術和工業、農業、商業、教育、醫學生命、娛樂、生活服務等眾多方面得到了成功的應用19。§1.2.1 仿真的基本概念“仿真20是一項利用計算機進行試驗的數字化技術，它包括數字與邏輯模型的某些模式，這些模型描述某一事件或經濟系統（或者它們的某些部分）在若干周期內的特征。”這是內勒（T.H.Naylor）在1966年對仿真作的定義。計算機仿真的基本思想是利用已經建立的物理或數學模型來類比模仿現實的活動過程，進而探索對實際系統真實活動過程。根據歷來國內外計算機仿真界學者對仿真的理解，可概括出如

28、下定義：計算機仿真是對真實系統的模擬，是一門建立在計算機仿真、控制、相似理論、信息處理技術和計算技術等理論基礎上的多學科綜合性技術。仿真是連接真實系統和仿真模型的橋梁，為控制系統的分析、研究設計以及控制系統的計算機輔助教學等提供了經濟、科學、有效的方法。1.計算機仿真的要素及基本操作步驟1）計算機仿真的要素系統模型計算機計算機仿真的要素包含系統、模型和計算機。系統為研究的對象；模型是對系統的抽象；計算機為建模、仿真實驗和對結果的分析的工具和手段。仿真過程如圖1-1所示。 建立數學模型 仿真實驗建立仿真模型 圖1-1 仿真三要素及其對應關系2）計算機仿真的基本步驟 建立數學模型 數學模型是系統仿

29、真的主要依據。系統數學模型是描述系統輸入、輸出變量以及內部各變量間關系的數學表達式。 建立仿真模型 計算機是一個高級工具，它所識別的語言是特殊的、專門的。系統的數學模型一般是用數學定律、公式、方程等表達的，計算機通常不能直接識別這些方式。所以直接得到的原始的系統數學模型并不能直接用來對系統進行仿真，還必須將其轉換為計算機可以識別的而且能夠對系統進行仿真的模型。 編制系統仿真程序 toolbox、Simulink是MATLAB中的關鍵模塊，在系統仿真等操作中起了很重要的作用。應用toolbox及其Simulink仿真集成環境作為仿真工具就是MATLAB仿真。 仿真實驗并輸出仿真結果 仿真實驗是對

30、仿真過程真實性的檢驗。如圖1-2給出了數字仿真的具體步驟以及主要的工作流程。開始對象（任務）分析方案設計建立系統數學模型修改數學模型模型分析修改仿真模型建立仿真模型修改仿真程序編寫仿真程序仿真運行仿真研究（多次運行，尋優，統計等）系統模型問題？仿真模型問題？ Y Y程序問題？ N合理？理？ 理？ N N N 結果分析？ Y Y仿真結果處理結束圖1-2 仿真的工作流程2.計算機仿真技術的主要作用和特點1）計算機仿真技術利用的是對真實系統及其活動過程的仿真模擬方法，該方法成功取代了傳統的實驗方法,可對那些難以用數學公式表示的系統提供簡單可行且有效的求解方案。不僅在一定程度上大大減少了對人力物力的依

31、賴和浪費,同時還能大幅度削減開發所耗費的時間,進一步提高了仿真開發的效率。尤其對于那些難以在實際環境中進行實驗和觀察的復雜系統，仿真是唯一可行的辦法。2）計算機仿真技術以動態分析的方法代替了傳統的靜態分析方法,加強了對過程特性的研究和分析,使所建的數學模型更加接近真實系統或過程,從而使仿真的準確性得到了大幅度提高。而且可以避免試驗的危險性，可用于解決實際試驗中難以實現的項目。3）通過對系統中單獨部件以及對完整系統的仿真，使人們能夠比較詳細地研究部件特性和系統特性并對此進行十分清楚的分析。這樣，將對后期相關產品的研發或進行技術方面的改進提供權威性的指導。不僅如此，還可以對系統或系統的某些部分進行

32、性能評價，系統抗干擾性的分析研究等。4）優化系統和參數的設計。在建立復雜系統模型之前，可以通過改變仿真模型的結構和調整系統參數來達到優化系統設計從而提高設計質量的目的。除此之外，仿真試驗只需在可重復使用的模型上進行，這也使得設計成本大幅度降低。廣泛應用包括最優化設計和最佳工況調節和控制等在內的最優化方法,可提高設計效率、縮短設計周期，以達到降低設計成本，節約經費的目的。5）將傳統的典型工況設計變成全過程工況設計,極大地提高了系統的可靠性、可調性和系統運行的效率。而且可重現系統故障，以便分析、判斷故障產生的原因。§1.2.2 建模的方法系統模型的建立是系統仿真的核心問題。根據對系統的了

33、解程度，系統建模的方法大致可以分為機理建模法和辨識建模法兩種。（1）機理建模法  機理建模方法又稱為演繹法、理論建模法，根據實際系統工作時的物理過程的機理進行建模。它是最基本的系統建模方法，也是最常用的建模方法。使用該方法進行建模時,必須對實際系統有較深入的分析和研究,還需要對原理高度抽象才能建立出系統模型。目的是要使建立的模型同時具備易于使用、便于后期研究的優點,而且精度要足夠高,能滿足那些精密設計要求，還能準確表現出系統原有的工作過程。2辨識建模方法  辨識建模方法就是利用各種辨識算法來建立模型的動靜態數學模型。它主運用系統辨識技術,并根據系統實際運行或試驗過程中所取得

34、的輸入、輸出數據來類比出與所測系統等價的模型。最近的一段時期，特別是計算機等電子技術快速發展之后，系統辨識技術在各個學科領域得到了廣泛應用。 根據上文對系統建模的描述及其方法的介紹，對于海洋光場的建模方法可分為如下步驟：首先，了解海洋光場的物理變量有哪些，并羅列出影響光場的各方面因素，尤其是與所建模型關系最為密切的的量；接著，研究上述所了解的變量的連續性與否，確定該系統的特性；然后，根據掌握的物理知識、數學定律和方程，整合出該海洋光場的數學模型，并使之最為簡單、實用,避免出現復雜、難以實現的公式，便于仿真的執行；接下來，根據所建的數學模型，特別是描述海洋表面的、光場的數學公式，將其轉

35、化為計算機語言并用MATLAB軟件表示出來；最后，進行模型驗證以及對研究內容進行科學分析、總結。 第2章 MATLAB/SIMULINK建模仿真技術隨著計算機技術的快速發展，各種仿真算法和計算理論趨向成熟，越來越多的科學研究、工程設計等工作都需要利用計算機進行數字仿真。為了適應科學計算、工程仿真的要求，許多公司都相繼推出一系列仿真軟件。其中，美國MathWorks公司的MATLAB/SIMULINK受到廣大用戶的熱愛。這是由于該軟件為不僅能為用戶提供一個人機交互式的數學系統環境，而且其語言簡單和普通書寫基本上沒有什么差別，可以方便用戶進行程序設計、數值計算、圖形繪制、文件管理等各項操作。目前，

36、MATLAB/SIMULINK的使用范圍越來越廣，使用頻率也越來越高，并享有良好的聲譽。該軟件已逐漸發展成為國內外控制界公認的標準化計算軟件，并因計算機的普遍使用和相應學科的飛速進步而逐漸趨于完善。§2.1 MATLAB/SIMLINK概述 MATLAB的核心是數值計算，SIMULINK是建立系統框圖和仿真的環境。§2.1.1 MATLAB簡介MATLAB21（MATrix LABoratory矩陣實驗室的縮寫），是由美國The MathWorks公司推出的一款商業類數學軟件。它可用于數值的分析與計算、矩陣計算、算法開發、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿

37、真等，并將這些功能集成在一個方便使用的交互式環境中。不僅為相關的科學領域提供了一種全面有效的解決方案，而且成功擺脫了傳統非交互式程序設計語言復雜難懂的編輯模式，使MATLAB成為當今國際科學計算軟件的先進水平的代表。§2.1.2 MATLAB編程環境的特點近二十年的實踐經驗使人們認識到：MATLAB作為計算工具和科技資源，可以提高工程生產的效率、縮短開發周期、加快探索步伐、激發創造活力。這些能力的獲得與其多方面的優良特點分不開。1.MATLAB功能強大相對其他同類軟件來說，MATLAB在數值計算上一直保持著自己的絕對優勢。MATLAB以矩陣作為數據操作的基本單位，還提供了十分豐富的數

38、值計算函數。不僅如此，為了更好地適應科學發展的需求，它還開發出了屬于自己的符號運算功能。MATLAB和著名的符號計算語言Maple相結合，使得MATLAB具有符號運算功能。此外，還有繪圖功能。MATLAB可以繪制二維和三維圖形，并能對圖形進行陰影、色彩處理。編程語言：MATLAB具有程序結構控制、函數調用、數據結構、輸入輸出、面向對象等程序語言特征，而且其語言易于學習和使用,而且編程效率高。MATLAB具有數百個內部函數的主包和三十幾種工具包。附加的工具箱提供了專用的 MATLAB 函數集，擴展了 MATLAB的使用環境，從而解決了這些應用領域內特定類型的問題。而且，這些工具箱都是由相應領域的

39、著名專家研究設計的，使MATLAB得功能更加強大、更加多樣化、更具權威性。也正因如此，使得MATLAB已經成為國內外科學領域相關研究應用時首先選擇的軟件。它特有的矩陣處理功能、用于控制理論研究的專用工具箱和結構圖程序設計的SIMULINK 仿真環境，使得 MATLAB 語言成為控制系統計算機輔助設計的得力助手。所以，MATLAB可以廣泛地應用在汽車行業、通訊與衛星系統、航空航天、金融建模設計與分析、工業過程、生物系統和教育事業等眾多領域。2.MATLAB 語法簡單MATLAB是一門編程語言，其代碼短小高效，簡單易學，而且功能強大，內容廣泛。它允許用戶以數學形式的語言編寫程序，就像平時在數學上計

40、算公式的書寫，十分方便理解。MATLAB中豐富的函數資源將編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來，給用戶帶來最直觀、最簡潔的程序開發環境。MATLAB的操作指令和功能函數指令都是用一些常見的簡單英文單詞表達的。MATLAB是用C語言開發得到的，因此很多MATLAB程序流控制語句同C語言的差別很小（比如，for循環，switch語句等），初學者很容易就能掌握。3.擴充能力強、可開發性強MATLAB的可擴充性和可開發性使其能更好的適應科技的不斷更新，具有不可估量的前景。MATLAB語言編寫的程序可以直接運行，無需調試、編譯，較之C語言等程序更方便操作，還節省了很多時間。這樣，MATLAB就成了一個完全

41、開放的系統，方便用戶看到函數的源程序，也方便開發用戶自己的程序，甚至自己的庫。4.具有優良的圖形化系統MATLAB提供了一系列方便繪制二維和三維圖形的命令。還可以對圖形做高級處理，如色彩控制、句柄圖形、動畫等。MATLAB圖形用戶界面開發環境（GUIDE）提供了一系列創建圖形用戶界面（GUI）的工具，方便用戶制作菜單和控件，這樣用戶就可以根據自己的需求編寫出滿意的圖形界面。5.詳細的幫助功能MATLAB為用戶提供了非常具體的幫助文件（即PDF、HTML、demo文件）。在命令窗口中，還提供了聯機查詢指令：help指令（如help eig、help exp），lookfor關鍵詞（如lookfo

42、r fft）。6.嵌入了面向對象編程語言MATLAB為從屬性和代碼的生成提供了優化的程序接口，還可以幫助用戶優化程序，提高程序運行效率，同時對HTML,C+和Java提供鏈接支持。§2.1.3 SIMULINK仿真工具簡介作為MATLAB最重要的組件之一，Simulink是模塊化、函數化、圖形化的仿真工具，確切的說，它為用戶提供了一個集動態系統仿真、建模和綜合分析為一體的集成環境。而且，在此仿真環境中，沒有單獨的語言系統，也不用編寫大量程序，只需在Simulink提供的仿真界面上就可構造出復雜的仿真模型。1.Simulink的功能介紹22Simulink具有相對獨立的功能和使用方法，

43、是一種基于MATLAB的框圖設計環境。Simulink在線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中得到了廣泛應用，并受到越來越多用戶的喜愛。Simulink功能強大，不僅可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，也可以用于不同部分具有不同采樣速率的多速率系統。Simulink的圖形用戶接口(GUI)可以建立模型方塊圖 ，創建動態系統模型。此外，還具有對系統信號流圖進行組態的仿真平臺，通過對Simulink模塊庫建立系統的仿真模型，提供了一種更方便有效、更簡單快速的動態仿真方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果，提高了工作效率。2.Simulink仿真環境的

44、特點a.交互建模。Simulink是基于模型和多領域仿真的設計工具，主要用于動態系統和嵌入式系統。Simulink中包含很多模塊，交互式建模使用戶更方便地根據工程要求并結合自己的意愿建立模型，使建立的模型結構和流程清晰，更具真實性、實用性。b.交互仿真。Simulink框圖提供了交互性很強的可視化仿真環境。用戶仿真時利用下拉菜單執行，或使用命令行進行批處理。而且，仿真結果在運行的同時就可以通過示波器或圖形窗口顯示，使工作效率得到提高。c.擴充和定制。Simulink中豐富的可擴充的預定義模塊庫可以方便用戶快速地建立動態系統模型。其中，Simulink為各種時變系統提供了交互式圖形化環境與可定制

45、模塊庫可對其設計、仿真、執行和測試。建模時只需使用鼠標拖動庫中的功能模塊并按系統邏輯順序將它們連接起來。而且，Simulink對模塊和連接的數目沒有限制，靈活性提高。用戶可以憑借Simulink的開放式結構來擴展仿真環境的功能： 可以用MATLAB、FORTRAN和C代碼生成自定義塊庫，而且可以自己設計圖標和界面。 將用戶原有的用FORTRAN或C語言編寫的代碼連接起來便于管理。d.與MATLAB和工具箱的集成。MATLAB的數學、圖形和編程功能直接可以被Simulink利用，所以用戶可以直接在Simulink界面中完成數據分析、過程自動化、參數優化等工作。工具箱可以借助Simulink的屏蔽

46、手段在仿真過程中執行其高級設計和分析能力，具備適應性廣、仿真精細、貼近實際等優點。e.豐富的模塊庫。Simulink提供了許多專用的基本模塊庫，如：Continuous(連續系統模塊庫)、Discrete（離散系統模塊庫）、Sinks(輸入源模塊庫)等16個標準模塊庫。§2.2 MATLAB/SIMULINK的建模方法在使用MATLAB/SIMULINK構造的仿真模型進行計算、仿真時，除了要對MATLAB/SIMULINK系統的命令、函數、模塊等的基本操作有深刻的理解，還需要具備相應的系統建模和仿真知識。值得注意的是，利用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型時多采用機理建模法和

47、綜合建模的方法，所以要對系統機理有充分的認識。下面給出利用MATLAB/SIMULINK建模仿真的基本方法與步驟。1.了解仿真對象了解方針對象的工程背景和物理原理,明確建模的目的,在建立模型前對仿真對象要有透徹的了解。在本次海洋光場的建模過程中，仿真對象是海洋中的光場，要想作出合理的模型首先就要認清海洋系統的復雜性。自然界是不斷變化的，尤其在是存在更多未解之謎的大海中，會有各種各樣的干擾因素，比如風、溫度、鹽度、密度等都會對光場模型的建立有干擾作用。所以，要了解自然光傳輸的特性，并掌握干擾因素對仿真對象的影響。2.抽象數學模型明確了仿真的計算目的之后，對實際問題進行必要的建設，從而從工程背景抽

48、象出仿真計算的數學模型，即用基本假設和數學語言描述實際問題。如，對海洋光場建模過程中，要先簡化出光場的數學模型。3.轉化為計算機仿真模型將數學模型轉化為符合規則的，可以用于仿真計算的計算機仿真模型。值得注意的是，整體上，利用MATLAB仿真時，要對程序規范，流程統一規劃，用結構化的編程思路設計程序，節約計算機時；應對模塊、模塊連接線的布局、結構及模塊間的關系整體規劃，規范計算仿真模型的構成。細節上，利用MATLAB仿真時，M文件應該注釋齊全，增強文件程序的可讀性，盡量使用函數M文件，增強程序的可利用性；利用SIMULINK仿真時，模塊名應該及時更改，模塊連接線應區分數據類型，對整個模型還要添加

49、注釋，以增強模型的可利用性。4.模型求解對模型的求解是MATLAB/SIMULINK的強項，MATLAB/SIMULINK將許多現成的算法內置到軟件求解器里，用戶只需根據自己仿真計算的模型選擇不同的求解算法即可。5.模型結果分析對所得的模型結果要進行分析。第一，要進行數學分析，這主要是根據問題的性質以及對各變量間的關系等進行分析，通過數學分析主要是檢查系統模型表述的正確性；第二，要把模型結果帶回物理背景和工程實際中進行分析，比如量綱分析，工程實際和物理特性等進行分析，實際仿真中這是最重要的，因為往往通過物理層面的分析，可以剔除仿真結果中不符合物理系統的數據，也可以檢查出MATLAB/SIMUL

50、INK計算模型乃至最初數學模型的問題，通過物理模型的分析主要是驗證系統模型建立的正確性。16第3章 海洋水體中光的傳輸特性§3.1 海洋中的光及其重要作用眾所周知，海洋覆蓋了地球表面積的70% ，是整個生態系統必不可少的一部分。當太陽光經大氣射入地球表面時，有一大部分會被海洋吸收。海洋的廣闊面積致使其對地球有著舉足輕重的作用。當海洋的時間和空間發生變化時，也會對整個大氣環流、海洋環流以及海洋生態系統造成很大的影響。海洋中的生物生存要依靠射入其中的光，尤其是浮游植物等需要利用光進行光合作用以維持其生命的運行。所以，定量、科學地了解太陽輻射在海洋中的傳播特性在眾多科學領域都顯得非常重要。

51、表面上看，海洋的光傳播特性有吸收和散射兩部分。實際上，光在水體中的傳輸是一個非常復雜的物理過程，要想弄清楚這個過程就需要確定光被吸收與散射的方式與程度，并建立描述光場與海水光學特性的關系式。§3.2 海洋中光的傳輸特性海水的總光學特性分為互相獨立的兩類：一是固有光學特性（Inherent Optical Properties，IOPs，又稱為固有光學量），另一個為表征光學特性（Apparent Optical Properties，AOPs，又稱為表觀光學量）。其中，IOPs指依賴于水體本身及水中各種成分的那些特性，與環境光場無關。固有光學特性的兩個基本量分別是吸收系數與體積散射函數

52、，還包括散射系數、折射指數、光束衰減系數以及單次散射反照率，所有量都與光譜相關。AOPs指同時依賴水體中的成分及環境光場幾何結構的那些特性，包括向量和標量輻照度、反射比、入射輻射的平均角余弦以及輻照度漫射衰減系數等。理想的表征光學特性隨著外部環境的變化僅產生微小變化，但從一種水體到另一種水體，AOPs將產生足夠大的變化來體現兩種水體不同的光學特性。輻射傳輸理論在海水的固有光學特性和表征光學特性之間建立起了關系。海洋光學中有兩個用于描述海洋中光場分布的基本的輻射度量：一個是輻亮度L，指沿特定方向垂直于單位截面積并沿此方向單位立體角的輻射量大小；一個是輻照度E，表示單位面積接收到的輻射量。 經大氣

53、入射到海洋表面的太陽光，一部分又反射到大氣中，一部分經折射反應進入海水。水下光場除了會受到水體表面波及船舶的干擾的影響外，因為在海洋水體中存在各種干擾因素，如，因溫度、鹽度引起的水密度的改變以及海水中懸浮的顆粒等，還會使光在射入水體過程中發生多次折射（光的散射）反應。如，光入射到水中的懸浮顆粒上會發生反射，而且折射率也會改變，相應地就改變了光線原有的入射路徑。如圖3-1簡單展示了光在海洋表面及進入水體之后發生的一系列反應。大氣 海洋海面懸浮顆粒光線折射反應圖3-1 單個光線在海洋表面及水下發生的反應§3.3 Monte Carlo模型為研究海洋水體的光學問題，可以建立一個三維的Mon

54、te Carlo海洋光學模型，對水體光場的分布進行模擬。該模型能對任意人射角和觀測角度、水體成分及其垂直分布、任意深度、不同海面粗糙度的光場變化進行模擬。Monte Carlo法25是一種通過描述單個光子的路徑來模擬實際光能輻射傳輸過程的概率統計方法。此方法可以處理任何幾何空間下的輻射傳輸問題，并能處理任意單次散射反照率和各向異性很強的相函數，所以被廣泛應用到了對光場建模等研究中。但以此方法建立的輻射傳輸數值模型計算時將花費很多的時間和精力，其計算結果的精度與所用的光子數的平方根成正比。也就是說，使用的光子越多，計算結果的精度越大。所以在某些對計算精度要求較高的科學研究中，在保證計算順利的情況

55、下，為了達到要求應盡量使用數量較多的光子。光進入海洋中，受到海水的作用將發生能量的衰減。有兩個物理過程可以引起衰減，分別是：吸收和散射。吸收就是光能在水中能量損失的過程。散射是由傳播介質的不均勻性引起的，它表現的現象是光線向四周射去。但是，發生散射時，光子并沒有消失，只是其前進的方向發生了變化。根據Monte Carlo模型可知，光子沿著入射路徑的能量衰減方式服從比爾-朗伯定律，如式3-1a、b所示。比爾定律是光被吸收的基本定律，不僅適用于氣體，還適用于包括固體、液體、分子、原子和離子在內的所有的電磁輻射和所有的吸光物質。而且，光被吸收的量的多少與光程中產生光吸收分子的數目成正比，光吸收分子越

56、多，光被吸收的量越大。A=lg(I0/I)=lg(1/T)=kcd （3-1a）或 I=I0exp(-a*lz) （3-1b）式3-1a中，A為吸光度（absorbance）舊稱光密度(optical density)；I0、I分別為入射光的強度和通過水介質后透射光的強度；T為透射比（I/I0），即透射光強度與入射光強度的比值；k表示吸收光的比例系數；c為樣品濃度，即海水濃度；d表示光程，這里指海水中光的透射距離。式3-1b中I0為設定在坐標點（0，0）處的初始化光子能量，為100%，和3-1a中的意義相近；a為水的總吸收（即光衰減）系數； lz 為水的總覆蓋距離，這里指的是光在海水中的有效傳

57、輸距離。比爾定律的物理意義是：當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度A與海水的濃度c以及吸收層厚度d都成正比。可以從式3-1a看出。光進入水體的過程中，除了海水的吸收能導致光能的衰減外，散射反應也會導致水中光能量的衰減。散射指的是光傳播時因與介質中分子（原子）作用而改變其光強的空間分布、偏振狀態或頻率的過程。當光在介質中傳播時，物質的不均勻性（如懸浮微粒、密度起伏）也能導致光的散射。總的來說，引起光散射的原因是由于媒質中存在著其他物質的微粒，或者由于媒質本身密度的不均勻性(即密度漲落)。海水中引起光散射的因素很多，除了水分子外，還有各種粒子，如懸移質粒子、浮游植物及可溶有機物粒子等。或者當海水的溫度、鹽度變化導致密度變化時也會發生