水下視覺智能研究邁不過的一道坎：涉水光學

涉水光學(Water-related Optics)主要研究光與水的物質相互作用機制及光的跨介質傳播機制，解決與涉水光學數據智能獲取，信息傳輸及智能信號處理有關的各種問題，探索光學在涉水領域中應用的科學，是臨地安防(Vicinagearth Security, VS)體系中水下安防的重要學科支撐。

1 引言

涉水即與水相關，泛指包括海洋，江河湖池，雲雨霧雪冰等在內的水體，如圖1所示。比水下光學，海洋光學考量更為充分，涉水光學的研究對象涵蓋了作為光傳播路徑的局部或整體的一切水體，透過探究其在液態，氣態，固態的光學特性，及光在水體，跨介質中的傳播機理，解決與涉水領域中的光學數據智能獲取，信息傳輸及智能信號處理有關的各種問題，是臨地安防(Vicinagearth Security， Vicinage源於古法語/拉丁語的visnage/ vicinus('neighbor'), VS)體系中水下安防的重要支撐，對於我國領水的防衛，保護，生產，安全，救援具有重要的意義。

「涉水光學」在「水下光學」和「海洋光學」單一場景的基礎上，進一步發展到跨域場景，透過測量水體及跨介質中傳播光的相位，強度，頻率，偏振等物理量，獲取水體及跨介質環境中的圖像，溫度，振動，壓力，磁場等參數信息，發展出光學在涉水領域的探測，感測，測量，成像，通信及智慧訊號處理等技術。

圖1 涉水光學

##目前涉水光學發展面臨著水體對光高吸收，強烈散射等瓶頸問題，其發展現況遠遠落後於實際需求，因此涉水光學領域亟需更多的關注。

為了促進我國涉水光學技術交流及產學研用，李學龍領導團隊前瞻佈局新時代涉水光學戰略區域，首先提出“水下光學”，於2016年5月10日在西安倡導並舉辦了全國首屆「水下光學」高峰論壇。隨後於2018年6月22日在西安連續舉辦了第二屆，將“水下光學”發展為重新定義的“海洋光學”，論壇正式更名為“全國海洋光學高峰論壇”並發起成立了“中國光學工程學會海洋光學專委會」。

至撰稿時為止，論壇已經成功舉辦了五屆，其中第五屆論壇(2022年)吸引了超過3萬人在線關注及參會，全國海洋光學高峰論壇已經成為我國最重要，最受關注的光學會議之一。在促進產學研用方面，李學龍於2016年分別成立了青島海洋科學與技術國家實驗室(時籌)與本單位的海洋光學聯合實驗室。同年，提出並主導籌備創立了我國首個省會級涉水光學重點實驗室－陝西省海洋光學重點實驗室。該實驗室於2018年獲批成立，李學龍擔任首任主任，帶領團隊完成的全海深高清光學成像及影像處理系統，榮獲了中國光學工程學會科技進步一等獎。

隨著海洋科技研發持續深入，人類對海洋的認知能力和技術裝備水準也不斷提高，「海洋光學」已從傳統研究海洋光學性質，光在海洋中傳播規律與運用光學技術探測海洋的科學，進一步發展為以研究深海科學技術與裝備為核心，建造深海基地，探測深海空間，發展深海資源的綜合科學。

面對深海空間廣闊、水文特徵複雜和資訊難以感知等問題，李學龍於2020年在西北工業大學創建了智慧互動與應用工信部重點實驗室，充分考慮水體與空氣等介質之間，光學設備與演算法之間的緊密聯繫，將“海洋光學”進一步發展為“涉水光學”，將研究對象從單一領域拓展至海洋，江河湖池，雲雨霧雪冰等多水體領域，以及與水體相關的其它領域，圍繞著“光與水的物質相互作用機理及光的跨介質傳播機制”，“複雜環境的動態目標探測”，“冗餘異質下高信容數據解算”等一系列科學問題，領導團隊攻克了退化機理難建模，觀測裝備體係不健全，場景目標資料難解析等難題，完成了系列化國產海洋觀測技術的研發與裝備研發。 2022年創建涉水光學實驗室，並領導團隊獲得「水下XX導引」國家級重點計畫支持，涉水光學的發展又邁出了堅實的一步。

圖2 涉水光纖框架

##2 光與水的物質相互作用機制

水體的光學特性是光與水的物質相互作用的宏觀表現，是研究涉水光學的重要依據。水體固有光學特性是自然水體本身的光學參數，獨立於環境光場。常用的水體固有光學參量包括光譜吸收係數，光譜散射係數，光譜衰減係數，體散射函數，後向散射係數，前向散射係數，光束衰減係數等。水體表觀光學特性是水體由於光場的作用而表現出的特性，由水中光場的時間，空間分佈及水體固有光學性質所決定，可隨光場的變化而變化。

圖3 不同水質下可見光光譜中不同波長的衰減

# #水體對光的線性作用是指光在涉水領域傳輸過程中所受到的吸收，散射和折射作用。 “一道殘陽舖水中，半江瑟瑟半江紅”，生動闡述了光入射到水體中會發生散射，折射，並體現了光的色散特性。

水體對光的非線性作用是指光與水的物質相互作用過程中，當光強度小於水體中的擊穿閾值時，光與水的相互作用會產生受激拉曼散射，振動散射和布里淵散射等非線性過程。當光線強大於水體的擊穿閾值後，多光子激發，逆軔致吸收及電子碰撞雪崩電離將會使水體擊穿，產生等離子體輻射。研究雷射與水的物質相互作用機制中的非線性過程，在水下雷射切割，焊接，熔覆等雷射工業領域和雷射臨床醫學領域具有十分重要的意義。

3 

涉水光學資訊取得

#資訊能夠反應出自然界的事物特徵和本質，人類可透過獲得並辨識自然界的不同資訊來認識和改造世界。涉水光學資料取得主要對涉水環境的物質及其物理參數進行精密測定與描述，是掌握涉水環境的有效方式。目前涉水光學資料取得的主要途徑包括光學感測技術，光譜測量技術以及光學成像偵測技術。

3.1光學感測技術

光學感測技術是依據光學原理，透過光學技術感知環境訊息，然後透過數據採集系統對其進行數位化採集和調節，主要包括光學遙感技術和光學原位感測技術。

3.2光譜測量技術

光譜能夠用來研究辨識水體及水中物質的結構，組成及狀態，光譜測量技術極大改善了涉水測量的靈敏度和分辨率。

1）雷射誘導光譜擊穿技術#

雷射誘導光譜擊穿技術是基於雷射作用於物質，產生瞬態等離子體，根據等離子體中原子和離子的特徵發射譜，對樣品進行分析的一種光譜技術，可以實現對物質的原位，即時，連續，無接觸檢測。

2）雷射拉曼光譜技術

#雷射拉曼光譜技術作為一種原位，即時，無損，多物質同時探測的光學感測器技術，具備對涉水環境下目標物的成分定量檢測能力，可實現海水中酸根離子濃度的長期原位監測，對於了解海底熱液活動區，地震源區以及海底沉積物將具有重要意義。

3.3 光學影像偵測技術

涉水光學影像偵測技術是涉水光學資料擷取中反映水體環境最直觀的偵測技術。水下聲學成像解析度低、擷取處理速度慢、無法即時高分辨成像限制了其在水下成像方向的進展。水下光學成像技術可利用視覺成像設備直接獲取影像或視訊訊息，實現水下目標的擷取與分析。

1.距離選通成像技術

#涉水距離選通成像技術的工作原理是透過時間控制去除不包含目標訊號的散射光所引入的背景噪聲，而確保目標反射後的訊號光剛好在選通工作時間內到達。李學龍團隊基於此原理研發了距離選通成像樣機，實現了6倍衰減距離的成像。

2.偏振成像技術

#涉水偏振成像技術透過比較散射光場偏振資訊的差異性和唯一性，分析影像中目標與背景偏振特性的變化趨勢，反演目標資訊光和背景散射光的強度變化，可以有效抑制後向散射光，實現涉水光學清晰成像。

3.載波調製成像技術

#載波調製成像技術使用一個高頻微波副載波訊號對雷射器發射的光脈衝進行調製，經過水體產生後向散射後，在接收端透過以調製頻率為中心頻點的帶通濾波器對散射光進行濾除，實現對散射低頻成分的抑制。李學龍團隊開發了高能量微波頻率調製雷射器，並合作開發了微波頻率調製的雷射雷達系統，具有提高信噪比，增加水下探測距離的能力，能夠有效地解決了後向散射問題，並實現了環境與設備的智慧交互，提升了水下探測距離。

4.關聯成像技術

#關聯成像是一種利用光場的二階相干性來實現成像的技術，作為一種非局域的成像技術，利用單像素強度探測器收集目標光強度訊號，結合投影光場重建影像，同時這種成像方式可以將環境模型及深度學習神經網路納入成像演算法中，可以在低光源條件下實現智慧運算成像，解決傳統水下成像抗干擾能力較弱的問題。李學龍團隊開發了水下關聯成像系統，配合智慧科學演算法，已經實現了不同濁度下的影像高清重構。

#圖4涉水關聯成像示意圖

5 .壓縮感知成像技術

壓縮感知理論是一種全新的訊號取樣理論，如圖5所示，如果訊號是可壓縮的，或者訊號在某個變換基底下是稀疏的，則壓縮過程和取樣過程可以同步完成，在取樣的過程中即可完成資訊的擷取。

#圖5壓縮感知數學表達式

李學龍團隊研究了基於深度學習的快速計算顯微成像方法，深度學習用於減少光學顯微成像資料擷取量，壓縮感知用以提高光學顯微成像解析度和訊號雜訊比，繼而以計算重構的模式，取得傳統顯微技術無法或難以直接取得的樣品多維高空時分辨資訊。以數據驅動為代表的深度學習技術和以物理模型驅動為代表的壓縮感知技術，改善了實際成像物理過程的不可預見性與高維度病態逆問題求解的複雜性。

6.光譜成像技術

#光譜成像技術是將光譜測量與成像技術結合，在影像上每一個像素點都能提取出多通道的光譜特徵，從而實現多空間點，多通道的精密測量和多模態識別。李學龍團隊基於寬譜，高分，快照等技術，提出寬譜差分連續精細譜，參考主動校正，非線性預測等關鍵技術，改變了以化學分析法為單一標準的現狀，為複雜海水水質分析提供新標準，是國際首創。

4 涉水光學資訊傳輸

#涉水光學設備完成資訊擷取後，需要將即時的資訊傳輸至後端處理。整個過程包括水下無線光通訊和涉水光學影像資訊處理兩個關鍵技術。水下無線光通訊(Underwater Wireless Optical Communication, UWOC) 利用光束作為資訊載體，在水下實現影像、視訊等大數據量資訊即時傳輸。相較於水聲通訊以及水下電磁波通訊而言，UWOC系統具有較小的體積，較低的設計成本，以及更強的隱密性。借助UWOC技術，可以建構空天地海一體化的全光通訊網絡，如圖6所示。

#圖6空天地海一體化光通訊網路

目前，UWOC的主要研究方向包括水下訊號收發元件設計、水下頻道建模、以及水下頻道的訊號調變解調。然而，UWOC無法應用在實際的長距離，強湍流，高速率的無線通訊過程。未來， 智慧科學賦能的訊號調製解調，湍流補償，穩定跟瞄等技術將會在水下光通訊系統中發揮不可或缺的作用。此外，在未來水下光通信也可以和水聲通信，水下電磁波通信等方式進行結合，克服現有技術通信距離短，穩定性差等缺點，最終在復雜的水下光傳輸場景中提高通信鏈路的有效性以及可靠性。

5 涉水光學資訊處理

#涉水光學影像是涉水光學資訊偵測的重要資訊載體，包含大量的訊息，如何對光學影像進行智慧處理，快速且準確的恢復、增強，提取影像中的有效信息，是涉水光學影像資訊處理的關注點。涉水光學影像資訊處理在涉水微弱暗小目標探測辨識、水下安防、涉水生態監測、涉水設備偵測、涉水的軍事偵察等具有重要應用價值。

5.1涉水影像復原及增強技術

涉水影像復原從涉水光學影像原理出發，先建立涉水影像的退化模型，再經由先驗資訊和前提假設估計出影響影像清晰度的干擾因子，並利用反演退化過程，消除乾擾因子影響，從而提高影像清晰度。

圖7涉水影像復原技術

#涉水影像增強是一類透過改變影像的像素值來改善視覺質量，提高對比度的非物理模型方法。

5.2涉水影像品質評估

图8涉水影像增强技术

涉水影像质量评价是针对于水下影像退化机制的综合影像质量评价标准。目前，水下影像质量评价方法通常计算若干度量角度的加权得分，而其中的权重往往靠经验来确定。因此，水下影像质量评价得分往往与人类的主观感受距离较远，如何从视觉显著性、认知心理学以及信息量度量的角度出发，需构建出更符合人类主观感受的水下影像质量评价方法是未来值得探索的研究方向。

5.3涉水环境认知计算

图9多探测模态认知计算

涉水环境的认知计算为涉水资源开发利用提供了良好的基础，是揭秘涉水生物多样性和勘探水底地形地貌，矿产资源的关键技术之一。

6 涉水光学应用场景: 水下安防

在国际形势及国家需求的驱使下，临地安防(Vicinagearth Security, VS)应运而生。临地安防是指面向临地空间内防卫，防护，生产，安全，救援等需求的多元化，跨域化，立体化，协同化，智能化技术体系。具体应用场景包括低空安防，水下安防以及跨域安防等。水下安防是临地安防的核心之一，主要涵盖水下空间内的国家安全与防卫，具体包括海底监测，探测，通信，隐蔽，导引等方面，而且覆盖了工业生产，社会经济，科研教育等方面的防护，生产，安全，救援，对国防安全，社会稳定，经济发展均具有重要意义。

图10临地安防空间范畴

6.1 涉水环境及资源监测

(1) 海底观测网

海底观测系统是将观测仪器放到海底，仪器完成原位检测，并将数据通过网络传输，从而实现全天候，综合性，长期连续，实时观测，观测范围包括海底地球深部，海底界面，海水水体以及海面。海底观测系统可以利用涉水光学技术对海洋进行全面的开发和研究，是继地面与海面观测和空中遥感遥测之后，人类在海底建立的第三类地球科学观测平合，将全面加深人类对海洋的认识。

图11海底观测网

(2) 深海相机

为了获得真实的海底环境，在水下安防的建设中，深海相机系统必不可少。深海探测的深度与广度代表了国家的科技发展水平和国防实力。深海相机作为光学视觉数据获取技术，可广泛搭载于载人潜水器，水下机器人，着陆器等深海运载器，有效扩大了探测范围和信息量，避免了深海探索“盲人摸象”的尴尬，是深海资源勘测，深海矿产开发，海洋生态观测及深海生物，化学活动观测的必须手段。

图12深海相机 (a)海瞳，(b)深海全景相机，(c)深海相机拍摄的水下8152米狮子鱼进食

李學龍團隊研製了我國首套全海深高清相機“海瞳”，團隊完成的“全海深高清光學成像及影像處理系統”榮獲2019年中國光學工程學會科技進步獎一等獎。解決了深海高壓環境下高清視覺資料取得的難題，攻破了全海深幹艙密封，水下光學像差校正，色彩復原和水下影像增強等關鍵技術。

相機適用水深0至11,000米，水下視場角達60°，解析度1920×1080，水下重量為10kg，相關技術指標達到國際先進水準。

2017年3月，「海瞳」全海深高清相機於跟隨「探索一號」完成了馬裡亞納海溝科考任務，作為主相機曾4次下潛至七千米深度，3次下潛至萬米深度，最大潛深達10909米，共採集到長達12小時的高清視頻，在我國深海科考史上首次完成全海深的高清視頻獲取，並首次記錄了位於8152公尺深處的獅子魚，這是當時國際上觀測到魚類生存的最大深度，為馬裡亞納海溝深淵的海洋生物，物理海洋等多學科研究提供了重要的原始數據。

隨後研製的「海瞳Ⅱ」全海深高清相機，於2018年9月隨「探索一號」TS09航次再次進行了馬裡亞納海溝科考任務。期間完成了10次下潛，其中4次下潛至萬米深度，採集到140小時有效高清視頻，數據量共計233GB，獲得了諸多珍貴海洋觀測資料，填補了多項海洋科研領域空白。

此外，海洋牧場監測，海洋油氣勘探，涉水管網監測，海洋光伏等也是重要的應用場景。

6.2涉水探測與通訊

海洋是世界各國爭奪的重要戰略資源，全面掌握我國領水的基礎數據是維護國家海洋權益的基礎，全天候水域監視是水下監視與安全防衛的手段。發展涉水探測與通訊技術，將有助於我國提升應對複雜局面的能力，提高海洋維權的能力。水下雷射雷達探測，水下光學隱蔽，雷射反潛反雷，水下光電對抗，雷射對潛通信，水下光學導引，涉水安全救援是主要的應用場景。

6.3涉水雷射工業

在水下安防中，尤其是江河，湖泊，海洋資源的開發和利用離不開各種水中工程的搭建，例如建造港口碼頭，維修艦船，搭建油井平台，鋪設維護管道等一系列的涉水工程。隨著各國對雷射焊接設備研究與開發的深入，應用於水下雷射焊接的高功率雷射已普遍出現。

另外，為延長海水環境中工業結構部件的使用壽命，降低建造成本，通常使用水下原位修復技術對受損和老化的工業結構部件進行修復和維護。水下雷射熔覆技術有效解決方法，具有熱輸入可控，效率高，穩定性好，受水壓影響小，焊接材料廣泛，熱輸入量低，冷卻速度快，熱影響區小，殘餘應力低等優點。

7 結論與展望

隨著涉水光學學科體系的逐步完善，世界局勢將面臨巨大轉折，海洋已然成為各國爭奪的戰略資源。涉水探測技術手段的提升將大大釋放海洋資源，生產力進一步提升，人類生產生活方式將步入新的發展階段，生產資料的取得將產生變革性發展。

海洋生物是地球上極為重要的碳匯體和碳聚體，隨著海洋建設規模不斷擴大和技術水平不斷提高，我國海域的生態容量將不斷提升，一方面可以取得大量的生產資料和生活資料，為我國持續穩定發展提供重要保障。另一方面碳匯及移碳作用越來越強，對我國的「碳中和」以及「碳達峰」的貢獻將會越來越明顯。

隨著涉水光學相關技術的不斷提高，經略海洋需要物聯網，多模態認知運算等相關資訊技術支撐，物聯網技術為涉水光學資料擷取與傳輸提供了重要技術手段，多模態認知運算為涉水光學資訊的綜合高效智慧處理提供了有力支撐，實現涉水光學大數據的挖掘，高效資訊傳輸及智慧訊號處理，完善涉水領域相關技術的資訊化和智慧化，為海洋強國建設提供可靠技術保障。

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