水中視覚知能研究の越えられないハードル：渡渉光学

水関連光学では、主に光と水の間の物質相互作用メカニズムと光の媒体間伝播メカニズムを研究し、水関連の光データのインテリジェントな取得、情報伝送、およびインテリジェントな信号処理に関連するさまざまな問題を解決します。 、水関連分野における光学応用の科学の探求は、ビシナアース セキュリティ (VS) システムにおける水中セキュリティの重要な分野のサポートです。

1 はじめに

ウェーディングは水に関連しており、一般に海、川、湖、雲、雨、霧、雪などの水域を指します。図1に示すように、氷など。水中光学と比較して、海洋光学はより完全に考慮されています. 渡海光学の研究対象は、光の伝播経路の一部または全体であるすべての水域をカバーします. 液体、気体、固体の状態での光学特性と光を探索することによって水中での伝播メカニズムは、水関連分野における光データのインテリジェントな取得、情報伝送、およびインテリジェントな信号処理に関連するさまざまな問題を解決します。それが Vicinagearth Security (Vicinage は、古いフランス語/ラテン語の visnage/ vicinus（「隣人」、VS）システムは水中安全保障の重要な支援であり、我が国の領海の防衛、保護、​​生産、安全、救助にとって非常に重要です。

「渡渉光学」は、「水中光学」と「海洋光学」の単一シナリオに基づいて、水域内および水域全体を伝播する光を測定することによって、クロスドメインのシナリオにさらに発展します。位相、強度、周波数、偏光などの物理量を利用して、水中およびクロスメディア環境における画像、温度、振動、圧力、磁場などのパラメータ情報を取得し、光検出、センシング、測定、イメージング、および通信を開発します。水関連分野やインテリジェント信号処理などの技術。

図 1 渡渉光学系

現在、渡渉光学系の開発は次のとおりです。水域による高い光吸収や強い散乱などのボトルネック問題に直面しており、その開発状況は実際のニーズから大きく遅れており、水関連光学分野のさらなる注目が急務となっています。

我が国の水中光学技術の交流と産学、研究の応用を促進するために、李雪龍の指導チームは積極的に渡海光学の戦略分野を計画しました。 2016 年 5 月、3 月 10 日、中国初の「水中光学」サミット フォーラムが西安で開始され、開催されました。その後、2018年6月22日に西安で2回連続のセッションが開催され、「水中光学」を再定義された「海洋光学」に発展させ、このフォーラムは正式に「国家海洋光学サミットフォーラム」と改名され、 「中国海洋光学サミットフォーラム」、光工学協会海洋光学特別委員会。

これを書いている時点で、フォーラムは 5 回開催され、成功裏に開催されています。第 5 回フォーラム (2022 年) は、オンラインで 30,000 人以上の注目と参加を集めました。National Ocean Optics サミット フォーラム私の国で最も重要で最も注目されている光学カンファレンスの 1 つになりました。産学研究の応用促進の観点から、李雪龍氏は2016年に青島国立海洋科学技術研究所（現）と同部海洋光学共同実験室を設立した。同年、彼は陝西省海洋光学重点研究所の設立を提案し、その準備を主導しました。これは我が国初の省レベルおよび省レベルの渡河光学重点研究所です。この研究所は2018年に設立が承認された。李雪龍氏が初代所長を務め、チームを率いて全海洋深部高精細光学イメージングおよび画像処理システムを完成させ、科学技術進歩賞の最優秀賞を受賞した。中国光学工学協会の会員。

海洋科学技術の研究開発が深まるにつれ、海洋に対する人間の理解や技術機器のレベルも向上し続けています。海洋の光の性質を海洋の光学特性から探る伝統的な研究であった海洋伝播法則を検出し、光技術を利用する科学はさらに発展し、深海の科学、技術、機器の研究、深海の構築に焦点を当てた総合科学へと発展しました。基地を設置し、深海空間を探知し、深海資源を開発します。

深海の広大な空間、複雑な水文学的特徴、情報認識の難しさなどの問題に直面して、李雪龍氏はノースウェスタン工業情報技術省のインテリジェントインタラクションおよび応用重点研究所を設立しました。 2020年に工科大学は、水と空気や他の媒体との関係を十分に考慮し、光学機器とアルゴリズムの密接な関係により、「海洋光学」を「渡海光学」にさらに発展させ、研究対象を単一分野から複数の水域に拡大しました。海、川、湖、雲、雨、霧、雪、氷などの物体、および水域に関連するその他の分野は、「光と水と十字架の間の物質的相互作用メカニズム」などの一連の科学的問題を中心に展開します。 「光の媒体伝播メカニズム」、「複雑な環境における動的ターゲット検出」、「冗長な異質性の下での信頼性の高いデータ分解能」を研究チームは導き、劣化メカニズムのモデル化の難しさ、不完全な観測機器システム、および不完全な観測機器システムなどの問題を克服しました。現場対象データの解析の難しさを克服し、一連の国産海洋観測技術・装置の研究開発を完了した。 2022年、私たちは渡海光学研究所を設立し、チームを率いて「水中○○ガイダンス」国家重点プロジェクトからの支援を得て、渡渉光学機器の開発はまた確実な一歩を踏み出しました。

#図 2 ウェーディング光学フレーム

2 ライトのメカニズム水と物質の相互作用の現象

水の光学特性は、光と水の間の物質相互作用の巨視的現象であり、水関連の光学を研究するための重要な基礎です。水の固有の光学特性は、周囲の光のフィールドから独立した天然水自体の光学パラメータです。一般的に使用される水の固有光学パラメータには、スペクトル吸収係数、スペクトル散乱係数、スペクトル減衰係数、体積散乱関数、後方散乱係数、前方散乱係数、ビーム減衰係数などが含まれます。水域の見かけの光学特性は、ライトフィールドの作用による水域の特性であり、水中のライトフィールドの時間的および空間的分布と水域の固有の光学的特性によって決まります。ライトフィールドの変化に応じて変化する可能性があります。

図 3 さまざまな水質における可視スペクトルのさまざまな波長の減衰

光に対する水の線形効果とは、水関連領域における光の透過時の吸収、散乱、屈折を指します。 「夕日が水面に広がり、川の半分がざわめき、川の半分が赤い」は、光が水域に入ると散乱と屈折が起こり、光の分散特性を反映していることを鮮やかに説明しています。

水の光に対する非線形効果は、光と水の間の物質的相互作用を指します。光の強度が水中での破壊閾値よりも低い場合、光と水の間の相互作用は誘導ラマン散乱、振動散乱、ブリルアン散乱などの非線形プロセスが生成されます。光の強度が水域の破壊閾値を超えると、多光子励起、逆制動放射吸収、電子衝突なだれ電離によって水域が破壊され、プラズマ放射が発生します。レーザーと水の間の物質相互作用メカニズムにおける非線形過程を研究することは、水中レーザー切断、溶接、被覆などのレーザー産業分野やレーザー臨床医学の分野において非常に重要です。

3 渡渉光学情報取得

情報は自然界の物事の特徴や本質を反映することができ、人間はその違いを取得して識別することができます。世界を理解し、変革するための自然情報。渡渉光学データ取得は主に渡渉環境内の物質とその物理的パラメータを正確に測定して記述します。これは渡渉環境を理解する効果的な方法です。現在、水関連の光データを取得する主な方法には、光センシング技術、スペクトル測定技術、光画像検出技術などがあります。

3.1 光学センシング技術

光学センシング技術は、光学原理に基づいており、光学技術を通じて環境情報をセンシングし、データ収集システムを通じてデジタル的に収集および分析します。調整には主に光学式リモートセンシング技術と光学式現場センシング技術が含まれます。

3.2 スペクトル測定技術

スペクトルは、水および水中の物質の構造、組成、状態を研究および特定するために使用できます。スペクトル測定技術は大幅に向上しました。水関連の測定の精度、感度と分解能。

1) レーザー誘起スペクトル分解技術

レーザー誘起分光破壊技術は、物質に対するレーザーの作用に基づいて過渡プラズマを生成し、プラズマ中の原子やイオンの特徴的な発光スペクトルに基づいてサンプルを分析する分光技術です。 - 物質のその場、リアルタイム、連続、非接触検出。

2) レーザーラマン分光技術

レーザーラマン分光技術は、その場で、リアルタイムに、非破壊多物質同時検出光センサー技術は、水関連環境における対象物の組成を定量的に検出する能力を有しており、海水中の酸イオン濃度の長期その場モニタリングを実現することができます。海底熱水活動域、震源域、海底堆積物を理解することは非常に重要です。

3.3 光学画像検出技術

渡河光学画像検出技術は、渡河光学データ取得における水環境を反映する最も直観的な検出技術です。水中音響イメージングの解像度が低く、取得速度と処理速度が遅いこと、およびリアルタイムで高解像度イメージングを実行できないことにより、水中イメージングの進歩が制限されてきました。水中光学イメージング技術は、視覚イメージング機器を使用して画像またはビデオ情報を直接取得し、水中のターゲットの収集と分析を実現します。

1. 距離ゲーティング イメージング技術

ウェーディング距離ゲーティング イメージング技術の動作原理は、時間をかけて制御することです。ターゲット信号を含まない散乱光によってもたらされるバックグラウンドノイズを除去し、ターゲットによって反射された信号光がゲート動作時間内に確実に到達するようにします。 Li Xuelong 氏のチームは、この原理に基づいて距離ゲート イメージング プロトタイプを開発し、6 倍の減衰距離でのイメージングを実現しました。

#2. 偏光イメージング技術

水中の散乱光の偏光情報の違いを比較する偏光イメージング技術フィールドと独自性を利用して、画像内のターゲットと背景の偏光特性の変化傾向を分析し、ターゲット情報光と背景散乱光の強度変化を反転することで、後方散乱光を効果的に抑制し、透明な水関連を実現できます。光学イメージング。

3. キャリア変調イメージング技術

キャリア変調イメージング技術は、高周波マイクロ波副搬送波信号をレーザーに使用します。放射された光パルスは変調され、水域で後方散乱された後、受光側で変調周波数を中心周波数とするバンドパスフィルターで散乱光が除去され、散乱低周波成分が抑制されます。 Li Xuelong氏のチームは、高エネルギーのマイクロ波周波数変調レーザーを開発し、信号対雑音比を改善し、水中探知範囲を拡大する機能を備えたマイクロ波周波数変調ライダーシステムの開発に協力した。後方散乱の問題と達成 環境とデバイス間のインテリジェントな相互作用により、水中検出距離が向上します。

#4. 相関イメージング技術

#相関イメージングは​​、二次コヒーレンスを利用した手法です。イメージング技術を実現するライトフィールドは、非局所イメージング技術として、単一ピクセル強度検出器を使用してターゲット光強度信号を収集し、投影されたライトフィールドと組み合わせて画像を再構成すると同時に、このイメージング手法を組み込むことができます。環境モデルと深層学習ニューラルネットワークをイメージングアルゴリズムに組み込むことで、低照度条件下でもインテリジェントな計算イメージングを実現し、従来の水中イメージングの耐干渉能力が弱いという問題を解決できます。 Li Xuelong 氏のチームは水中相関イメージング システムを開発し、インテリジェントな科学アルゴリズムと組み合わせることで、さまざまな濁度下での画像の高解像度再構成を実現しました。

#図 4 渡渉相関イメージングの概略図

5 .圧縮センシング イメージング技術

圧縮センシング理論は、図 5 に示すように、信号が圧縮可能であるか、信号が圧縮されている場合のまったく新しい信号サンプリング理論です。ある 変換基底が疎であれば、圧縮処理とサンプリング処理を同時に完了することができ、サンプリング処理中に情報抽出を完了することができる。

図 5 圧縮センシングの数学的表現

Li Xuelong のチームは、ディープ ラーニングに基づく高速計算顕微鏡イメージング手法を研究しました。ディープ ラーニングは光学顕微鏡イメージング データ収集の量を削減するために使用され、圧縮センシングは解像度と信号対比を改善するために使用されます。次に、計算再構成モードを使用して、従来の顕微鏡技術では直接取得できない、または直接取得するのが難しいサンプルの多次元高高度時間分解情報を取得できます。データドライブに代表されるディープラーニング技術や物理モデルドライブに代表される圧縮センシング技術により、実際の画像処理の物理プロセスの予測不可能性や高次元悪条件逆問題を解く複雑性が向上しました。

#6. 分光イメージング技術

分光イメージング技術は、分光測定とイメージング技術を組み合わせて画像を作成します。ピクセルはマルチチャネルのスペクトル特徴を抽出できるため、マルチ空間点、マルチチャネルの高精度測定、およびマルチモーダル認識を実現できます。 Li Xuelong氏のチームは、ワイドスペクトル、ハイスコア、スナップショットなどの技術に基づいて、ワイドスペクトル微分連続微細スペクトル、基準アクティブ補正、非線形予測などの主要技術を提案し、化学分析を単一標準として使用する現状を変えた。複雑な海水水質分析のためのソリューションを提供し、世界初の新しい標準を提供します。

4 ウェーディング光学情報送信

ウェーディング光学機器は情報収集を完了した後、リアルタイムの情報を後方に送信する必要があります。処理を終了します。このプロセス全体には、水中無線光通信と渡渉光学画像情報処理という 2 つの主要技術が含まれています。水中無線光通信（UWOC）は、光を情報媒体として利用し、水中での画像や動画などの大量の情報のリアルタイム伝送を実現します。 UWOCシステムは、水中音響通信や水中電磁波通信と比較して、サイズが小さく、設計コストが低く、隠蔽性が強い。 UWOC テクノロジーの助けを借りて、図 6 に示すように、空、宇宙、地上、海を統合した全光通信ネットワークを構築できます。

#図 6 空、宇宙、陸、海の統合光通信ネットワーク

現在、UWOC の主な研究方向には、水中信号送受信装置の設計、水中チャネルのモデリング、水中チャネル信号の変調と復調が含まれます。しかし、UWOC は実際の長距離、強い乱気流、高速の無線通信プロセスには適用できません。将来的には、信号の変調と復調、乱流補償、知的科学によって強化された安定した追跡と照準などの技術が、水中光通信システムにおいて不可欠な役割を果たすことになります。さらに、将来的には、水中光通信を水中音響通信や水中電磁波通信などと組み合わせることで、通信距離が短い、安定性が低いなどの既存技術の欠点を克服し、最終的に複雑な通信チェーンを改善することも可能です。水中光伝送シナリオ、道路の有効性と信頼性。

5 航海光学情報処理

航海光学画像は航海光学情報検出にとって重要な情報媒体であり、大量の情報が含まれています。光学画像をインテリジェントに処理し、画像内の有効な情報を迅速かつ正確に復元、強化、抽出する方法は、水関連の光学画像情報処理の焦点です。水関連の光学画像情報処理は、水関連の弱いターゲットと暗いターゲットの検出と識別、水中セキュリティ、水関連の生態監視、水関連の機器検出、および水関連の軍事偵察において重要な応用価値を持っています。

5.1 水関連画像の復元および強化技術

水関連画像の復元は、水関連の光学イメージングの原理から始まります。水関連の画像が確立され、最初の画像の鮮明度に影響を与える干渉要因を推定するために経験的な情報と前提条件を使用し、反転劣化プロセスを使用して干渉要因の影響を排除することで、画像の鮮明度が向上します。

#図 7 渡渉画像復元技術

渡渉画像強調は、画像を変化させる一種の画像強調です。画像 ピクセル値を使用して視覚的な品質とコントラストを向上させる非物理モデル手法。

5.2 水渡りの画質評価

図8 渡渉画質向上技術

渡渉画質評価は、水中画質劣化のメカニズムをターゲットとした総合的な画質評価基準です。現在、水中画質の評価方法では、複数の測定角度から重み付けスコアを計算するのが一般的であり、重み付けは経験によって決定されることが多い。そのため、水中画質の評価スコアは人間の主観と大きく乖離していることが多く、視覚的顕著性、認知心理学、情報計測の観点から、より人間の主観に沿った水中画質を構築する必要があります。これらの方法は、将来探求する価値のある研究の方向性です。

5.3 渡渉環境の認知計算

図 9 複数検出モーダル認識 コグニティブ コンピューティング

渡渉環境のコグニティブ コンピューティングは、渡渉水資源の開発と利用に優れた基盤を提供し、渡渉生物多様性の多様性を明らかにし、水中地形を探索するための重要なツールです。鉱物資源と資源のキーテクノロジーの一つ。

6 水関連の光学アプリケーション シナリオ: 水中セキュリティ

国際情勢と国家ニーズに基づく現場セキュリティ (Vicinagearth Security) 、VS）が誕生しました。オンサイトセキュリティとは、地上に近い空間での防御、保護、生産、安全、救助のニーズを満たす、多様でクロスドメインの三次元協調的インテリジェントテクノロジーシステムを指します。具体的なアプリケーション シナリオには、低高度セキュリティ、水中セキュリティ、クロスドメイン セキュリティが含まれます。水中安全保障は地域安全保障の中核の一つであり、主に海底監視、探知、通信、隠蔽、誘導などを含む水中空間における国家安全保障と防衛を対象とし、産業生産、社会経済、科学研究も対象としています。 、教育およびその他の側面における生産、安全、救助は、国防の安全、社会の安定、経済発展にとって非常に重要です。

#図 10 地上のセキュリティ空間の範囲

6.1 水関連環境と資源監視

(1) 海中観測ネットワーク

海中観測システムは、海底に観測機器を設置し、観測機器を設置します。現場での探知を完了し、そのデータをネットワーク経由で送信することで、地球の深さ、海底界面、海域までを含む全天候型・総合的・長期連続・リアルタイム観測を実現します。水域と海面。海底観測システムは、渡航光学技術を活用して海洋に関する総合的な開発・研究を行うことができ、地上・海面観測、航空機リモートセンシングに次ぐ、人類が海底で構築する第3の地球科学観測システムであり、総合的に深化させます。人間の海洋理解、理解。

図 11 海底観測ネットワーク

#(2) 深海カメラ

#本物の海底環境を取得するためには、深海カメラシステムが建造に不可欠です。水中セキュリティ。深海探査の深さと広さは、その国の科学技術の発展レベルと国防力を表します。深海カメラは光学的視覚データ取得技術として、有人潜水船、水中ロボット、着陸船などの深海ビークルに広く搭載でき、探知範囲と情報量を効果的に拡大し、「目の見えない人の恥ずかしさ」を回避します。深海探査の鍵となるものであり、資源調査、深海鉱物開発、海洋生態観察、深海の生物化学活動の観察などに必要な手段です。

図 12 深海カメラ (a) 海の瞳、(b) 深海パノラマ カメラ、(c) 水中撮影深海カメラによる8152メートルのミノカサゴの食事

Li Xuelong氏のチームは、我が国初の全海洋深度高精細カメラ「Haitu」を開発し、完成した「全海洋深度高精細光学画像処理および画像処理システム」が第1位を受賞した。 2019年中国光学工程学会科学技術進歩賞を受賞。これは、深海の高圧環境で高解像度の視覚データを取得するという問題を解決し、全海深部の乾燥キャビン密閉、水中光学収差補正、色復元、水中画像強調などの主要テクノロジーを突破します。

このカメラは、水深 0 ～ 11,000 メートルに適しており、水中視野は 60°、解像度は 1920×1080、水中重量は 10kg です。関連するテクニカル指標は国際的に先進的なレベルに達しています。

2017 年 3 月、「ハイツイ」全海洋深度高解像度カメラが「探査 1 号」に続き、マリアナ海溝の科学調査ミッションを完了しました。これまでに4回配備され、水深7,000メートルまで潜水し、水深10,000メートルまで3回潜水し、最大深度は10,909メートルに達し、合計12時間の高精細映像が収集されました。我が国の深海科学研究史上初めて、全深度の高精細ビデオの取得が完了し、最大深度である水深8,152メートルのミノカサゴが初めて記録されたこの記録は、当時国際的に生存する魚が観察されており、マリアナ海溝の深海における海洋生物と物理的な海洋に関する学際的な研究に重要な元データを提供しました。

その後開発された全海洋深度高解像度カメラ「Sea Pupil II」は、「ディスカバリー 1」TS09 とともに、2018 年 9 月に再びマリアナ海溝科学調査ミッションで実施されました。航海。期間中、10回の潜水が完了し、そのうち4回は水深10,000メートルに潜水し、140時間分の有効ハイビジョン映像が収集され、総データ量は233GBに達し、多くの貴重な海洋観測データが得られました。海洋科学研究の分野で満たされました。

さらに、海洋牧草地の監視、海洋石油およびガス探査、水関連パイプネットワーク監視、海洋太陽光発電なども重要なアプリケーションシナリオです。

6.2 水に関する検知と通信

海洋は、世界各国が争う重要な戦略資源であり、自国の領海の基礎データを網羅的に把握全天候型水域監視は、国家の海洋権益を保護するための基礎であり、水中監視と安全保障の手段です。水関連の探知および通信技術の開発は、我が国が複雑な状況に対処する能力を向上させ、海洋権益を保護する能力を向上させるのに役立ちます。水中ライダー検出、水中光学隠蔽、レーザー対潜水艦および対地雷対策、水中光電対策、レーザー対潜水艦通信、水中光学誘導、渡渉安全救助などが主な応用シナリオです。

6.3 ウェーディングレーザー産業

水中セキュリティにおいて、特に河川、湖沼、海洋資源の開発と利用は、さまざまな水中プロジェクトの建設と切り離すことができません。たとえば、一連の水関連プロジェクトには、港湾ターミナルの建設、船舶の修理、油井プラットフォームの建設、パイプラインの敷設と維持などが含まれます。各国でのレーザー溶接装置の徹底的な研究開発により、水中レーザー溶接に使用される高出力レーザーが一般的に登場しました。

さらに、海水環境における産業用構造部品の耐用年数を延ばし、建設コストを削減するために、通常、水中現場修復技術が損傷や老朽化の修理に使用されます。産業用構造部品のメンテナンス。水中レーザー被覆技術は、制御可能な入熱、高効率、良好な安定性、水圧の影響が少ない、幅広い溶接材料、低入熱、速い冷却速度、小さい熱影響部、および低い残留応力などを備えた効果的なソリューションです。 。

7 結論と展望

水関連の光学分野のシステムが徐々に改善されていくことで、世界情勢は大きな転換点を迎えることになる、そして海洋は戦略的資源をめぐる闘争となっている。渡河探知技術の向上により海洋資源が大幅に解放され、生産性がさらに向上し、人類の生産と生活は新たな発展段階に入り、生産資材の獲得により革新的な発展がもたらされます。

海洋生物は地球上の極めて重要な炭素吸収源であり、炭素集合体であり、海洋建設の規模が拡大し続け、技術レベルが向上し続けるにつれて、我が国の生態学的能力はますます高まっています。今後も海域は拡大していく一方、大量の生産資材や生活資材が得られ、我が国の持続的かつ安定的な発展にとって重要な保障となります。その一方で、炭素吸収と炭素移動の役割はますます強くなり、我が国の「カーボンニュートラル」と「カーボンピーク」への貢献はますます明らかになるでしょう。

渡河光学系の関連技術が継続的に改善されているため、海洋を管理するには、モノのインターネットやマルチモーダル コグニティブ コンピューティングなどの関連情報技術のサポートが必要です。モノのインターネット技術は、海洋生物にとって重要な情報を提供します。渡渉光データの取得と伝送技術的手段とマルチモーダルコグニティブコンピューティングは、水関連の光情報の包括的かつ効率的なインテリジェント処理を強力にサポートし、水関連の光ビッグデータのマイニング、効率的な情報伝送とインテリジェントな信号処理を実現します。水関連分野の関連技術の情報化とインテリジェンスの向上を図り、海洋強国の建設に確実な技術支援を提供します。

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