《Journal of Marine Science and Engineering》：Enhancement of Reactive Power and Efficiency Using Hybrid Compensation Approach for Supply Vessels
Erdem Fikir and
Mustafa Nuran
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准确了解海水光学特性对于水下成像、传感和光通信至关重要，特别是在几何光传播效应可能影响测量精度的沿海和浅水环境中。尽管描述海水折射率（refractive index）的经验公式（empirical formulation）在可见光谱范围内已经建立完善并被广泛
准确了解海水光学特性对于水下成像、传感和光通信至关重要，特别是在几何光传播效应可能影响测量精度的沿海和浅水环境中。尽管描述海水折射率（refractive index）的经验公式（empirical formulation）在可见光谱范围内已经建立完善并被广泛使用，但它们在近紫外（near-ultraviolet, near-UV）区域的适用性仅受到有限的实验验证。在本工作中，研究人员通过数值与实验相结合的方法研究了已建立的海水折射率经验公式在近紫外波段的适用性。首先，研究人员对经验模型进行了数值评估，以检验其在可见光-近紫外过渡区的光谱行为。结果表明，在紫外边界附近折射率变化平滑且在物理上一致。其次，研究人员进行了受控实验室实验，使用多隔间水箱（multi-compartment tank，设计用于模拟离散的海洋深度间隔）测量了分层海水中的近紫外光束折射。将两个近紫外波长波段的光束位移（beam displacement）测量结果与基于经验公式的多层射线追踪模拟（ray-tracing simulation）预测值直接比较。在多个深度配置下，模拟与实验测量的光束位移之间的高度一致性，为经验折射率模型在近紫外区域（在所研究的条件下）提供了物理验证。这些发现支持将已建立的折射率公式用于近紫外水下光学建模，并为近紫外海洋光学传感和测量应用提供了更可靠的基础。
海水折射率（refractive index）是决定光束在海洋中传播路径的基本光学参数，现有经验折射率模型主要基于可见光波段数据建立，在近紫外（near-ultraviolet, near-UV）区域的应用缺乏直接的实验验证。随着水下成像、激光雷达和光通信技术的发展，近紫外波段因其对特定成分敏感、空间分辨率高等优势而受关注，但折射率色散在短波处增强，温度、盐度的影响可能被放大，因此必须检验经验模型在该区域的物理有效性。针对这一空白，研究人员Erdem Fikir和Mustafa Nuran开展了数值与实验相结合的系统验证。研究利用已建立的经验折射率公式（Quan-Fry模型加McNeil压力修正）进行数值评估，并在受控实验室中使用多隔间水箱（multi-compartment tank）模拟分层海水环境，测量近紫外光束位移（beam displacement），与射线追踪（ray-tracing）模拟结果对比，证实二者高度一致，验证了经验模型在近紫外（370-415 nm）的可靠性，为近紫外水下光学建模和海洋光学测量提供了实验依据。论文发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。
关键技术方法：（1）应用Quan-Fry经验折射率模型及McNeil压力修正项；（2）在350-450 nm随机采样10,000组温度（0-30
°C）、盐度（33-37 PSU）和深度（0-100 m）进行数值评估；（3）建立与实验几何对应的五隔间射线追踪模型，依据Snell定律逐界面计算空气、玻璃和海水层的光束累积位移；（4）实验装置采用氘灯、CCD相机（C800-30）、Bi385（370-390 nm）和Bi405（405-415 nm）窄带滤光片，水箱隔间水程8 cm、玻璃壁1.5 mm，入射角固定0.3
°；（5）通过质心法和图像校准（0.147 mm/pixel）提取光束位移；（6）灵敏度分析确定最小可检测折射率变化约0.02折射率单位（RIU）。
研究结果：
5.1 近紫外光谱连续性的数值评估（Numerical Assessment of Spectral Continuity in the Near-Ultraviolet）
对10,000组随机参数的计算显示，折射率在350-450 nm范围内随波长平滑变化，无异常间断，表明经验模型在可见光-近紫外边界具有物理连续性，为后续实验提供了数值支持。
5.2 模拟参考与实验光束位移（Simulated Reference and Experimental Beam Displacement）
利用五隔间射线追踪模型独立计算得到两种波段在不同深度配置下的光束位移参考值。模拟显示位移随填充隔间数增加而单调增大，且Bi405位移略大于Bi385，反映了波长依赖性（wavelength dependence）。
5.3 实验光束位移测量（Experimental Beam Displacement Measurements）
对四种有效深度范围（60-100 m、40-100 m、20-100 m、0-100 m）重复测量5次，获得光束位移均值及标准偏差。结果表明位移随填充层数递增，证实了累积折射效应（cumulative refraction）；Bi405位移始终大于Bi385，符合折射率色散规律；实验重复性良好。
5.4 模拟-实验比较与验证（Simulation-Experiment Comparison and Validation）
直接对比实验与模拟位移（表2所示），在所有配置和波段下绝对偏差很小，模拟值与实测值高度吻合，验证了经验折射率公式在近紫外分层折射条件下的预测准确性。
5.5 重复性与不确定性考虑（Repeatability and Uncertainty Considerations）
重复测量的标准偏差较小，表明实验系统稳定；残余偏差主要源自光学对准公差、玻璃壁厚变化等系统因素，而非随机噪声。
总结讨论：模拟与实验的高度一致性直接表明经验折射率模型在近紫外区能正确反映几何折射行为。分层水箱的累积折射效应类似于浅水分层环境，强调了在沿海水域建模时考虑折射的重要性。两个波段的微小差异体现了短波处色散增强，表明近紫外测量可作为折射特性的灵敏探针。局限性包括验证限于370-415 nm及实验室条件，未包含真实海水的梯度、湍流等复杂因素。尽管如此，该工作为近紫外折射率模型提供了实验基础，支撑了水下光学系统设计与校准。未来需扩展至更短波长、连续剖面及现场测量。
翻译研究结论部分：这项研究通过结合数值和实验检验，验证了已建立的经验海水折射率公式在近紫外光谱区域的适用性。通过将折射率建模与受控实验室环境中直接测量的光束位移关联起来，本研究为近紫外波长下的折射行为提供了物理验证，而非仅依赖数值外推。经验公式的数值评估揭示，在可见光-近紫外过渡区折射率变化平滑且物理一致。以此为基础，设计了多隔间水箱实验模拟分层浅水条件，并在两个近紫外波段测量了累积折射。在多种深度配置下，模拟光束位移与实验测量值高度一致，为经验公式在所研究近紫外条件下的几何有效性提供了实验证据。结果凸显了在浅水和沿岸水域明确考虑分层折射的重要性；即使在吸收和散射主导信号衰减时，累积折射效应仍会影响光学测量。模型预测与实验的一致性支持将经验折射率公式用于近紫外水下光学建模、系统校准及对几何敏感测量的解释。尽管本验证限于接近可见光谱的近紫外波长及受控实验室条件，它为将折射率建模拓展至该谱区奠定了有效基础。未来工作可延伸至更短紫外波长、更复杂层化剖面及现场测量，以进一步提高近紫外光学技术在海洋环境中的可靠性。
