涉水光学：透过雨雾湖海，光学与智能交叉融合

导读 智能领域的数据主体依然是视觉、听觉、文字等模态。其中，视觉是核心赛道，也是目前智能应用的主战场。视觉的基础是光学，光在水体及跨介质中的传播机理是涉水成像的本质，也是视觉研究的本质。

当前，光学研究主要关注于空气和真空中，而占地表面积、天气现象甚至生命组织很大比例的各类水体中的视觉却未成体系。水是生命之源，江河湖海之中、云雾雨雪之时也都是智能领域的重要蓝海，有着极多的应用场景。

例如，人体约70%是水分，对光的吸收，是医学影像基础之一。作为“涉水光学”的提出者和践行者，李学龙教授在《中国科学：信息科学》撰写了57页约五万字的长文“涉水光学”，展示了全新的涉水世界。在未来，我们能否通过光学和智能结合的技术手段，透过雨雾、穿越湖海，拥抱更加“智能”的应用？

涉水光学（Water-related Optics）主要研究光与水的物质相互作用机理及光的跨介质传播机理，解决与涉水光学数据智能获取，信息传输及智能信号处理有关的各种问题，探索光学在涉水领域中应用的科学，是临地安防（Vicinagearth Security）体系中水下安防的重要支撑。

引言

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，安全的重要战略发展空间。随着科技技术的发展，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，亟需发展以水下安防为目标的涉水光学技术及装备。

图1.涉水光学

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，如图1所示。涉水光学的研究对象涵盖了作为光传播路径的局部或整体的一切水体，通过探究其在液态，气态，固态的光学特性，及光在水体，跨介质中的传播机理，解决与涉水领域中的光学数据智能获取，信息传输及智能信号处理有关的各种问题，是临地安防（Vicinagearth Security，Vicinage源于古法语/拉丁语的visnage/vicinus（‘neighbor’），VS）体系中水下安防的重要支撑，对于我国领水的防卫、保护、生产、安全、救援具有重要的意义。“涉水光学”在“水下光学”和“海洋光学”单一场景的基础上，进一步发展到跨域场景，通过测量水体及跨介质中传播光的相位、强度、频率、偏振等物理量，获取水体及跨介质环境中的影像、温度、振动、压力、磁场等参数信息，发展出光学在涉水领域的探测、传感、测量、成像、通信及智能信号处理等技术。

图2.临地安防空间范畴

为促进我国涉水光学技术交流及产学研用，李学龙领导团队前瞻布局涉水光学战略区域。首先提出“水下光学”，于2016年5月10日在西安倡导并举办了全国首届“水下光学”高峰论坛。随后于2018年6月22日在西安连续举办了第二届，将“水下光学”发展为重新定义的“海洋光学”，论坛正式更名为“全国海洋光学高峰论坛” 并发起成立了“中国光学工程学会海洋光学专委会”。全国海洋光学高峰论坛已经成为我国最重要，最受关注的光学会议之一。在促进产学研用方面，李学龙于2016年分别建立了青岛海洋科学与技术国家实验室（时筹）与本单位的海洋光学联合实验室。同年，提出并牵头筹备创建了我国首个省部级涉水光学重点实验室——陕西省海洋光学重点实验室。该实验室于2018年获批成立，李学龙担任首任主任，带领团队完成的全海深高清光学成像及影像处理系统，荣获了中国光学工程学会科技进步一等奖。

面对深海空间广阔、水文特征复杂和信息难以感知等问题，李学龙于2020年在西北工业大学创建了智能交互与应用工信部重点实验室，将“海洋光学”进一步发展为“涉水光学”，将研究对象从单一领域拓展至海洋，江河湖池，云雨雾雪冰等多水体领域，以及与水体相关的其它领域，围绕“光与水的物质相互作用机理及光的跨介质传播机理”，“复杂环境的动态目标探测”，“冗余异质下高信容数据解算”等一系列科学问题，领导团队攻克了退化机理难建模，观测装备体系不健全，场景目标数据难解析等难题，完成了系列化国产海洋观测技术的研发和装备研制。2022年创建涉水光学实验室，并领导团队获得“水下智能XX导引”国家级重点项目支持，涉水光学的发展又迈出了坚实的一步。

图3.涉水光学框架

光与水的物质相互作用机理

水体的光学特性是光与水的物质相互作用的宏观表现，是研究涉水光学的重要依据。水体表观光学特性是水体由于光场的作用而表现出的特性，由水中光场的时间，空间分布及水体固有光学性质所决定，可随光场的变化而变化。

图4.不同水质下可见光谱中不同波长的衰减

水体对光的线性作用是指光在涉水领域传输过程中受到的吸收，散射和折射作用。水体对光的非线性作用是指光与水的物质相互作用过程中，研究激光与水的物质相互作用机理中的非线性过程，在水下激光切割，焊接，熔覆等激光工业领域和激光临床医学领域具有十分重要的意义。

涉水光学信息获取

涉水光学数据获取主要对涉水环境的物质及其物理参数进行精密测定和描述，是掌握涉水环境的有效方式。目前涉水光学数据获取的主要途径包括光学传感技术，光谱测量技术以及光学成像探测技术。光学传感技术是依据光学原理，通过光学技术感知环境信息，然后通过数据采集系统对其进行数字化采集和调节。

光学遥感技术是在远距离没有实际接触的情况下通过光学技术获取目标物体或区域的信息。遥感技术以研制先进遥感数据获取，信息传输和处理装备，随着遥感技术的不断进步和应用的不断深入，未来的遥感技术将在我国海洋经济中发挥越来越重要的作用。

图5.最早的光学遥感技术

光谱能够用来研究辨识水体及水中物质的结构，组成及状态，光谱测量技术极大改善了涉水测量的灵敏度和分辨率。激光诱导光谱击穿技术对样品进行分析的一种光谱技术，可以实现对物质的原位，实时，连续，无接触检测。激光拉曼光谱技术可实现海水中酸根离子浓度的长期原位监测，对于了解海底热液活动区，地震源区以及海底沉积物将具有重要意义。

涉水光学成像探测技术是涉水光学数据获取中反映水体环境最直观的探测技术。

涉水距离选通成像技术确保目标反射后的信号光刚好在选通工作时间内到达。

涉水偏振成像技术可以有效抑制后向散射光，实现涉水光学清晰成像。

载波调制成像技术能够实现对散射低频分量的抑制。李学龙团队研制了高能量微波频率调制激光器，并合作开发了微波频率调制的激光雷达系统，具有提高信噪比，增加水下探测距离的能力，能够有效地解决了后向散射问题，并实现了环境与设备的智能交互，提升了水下探测距离。

关联成像技术利用单像素强度探测器收集目标光强信号，结合投影光场重建图像，同时这种成像方式可以将环境模型及深度学习神经网络纳入成像算法中，可以在弱光条件下实现智能计算成像，解决传统水下成像抗干扰能力弱的问题。李学龙团队研制了水下关联成像系统，配合智能科学算法，已经实现了不同浊度下的图像高清重构。

压缩感知理论是一种全新的信号采样理论，如果信号是可压缩的，或者信号在某个变换基下是稀疏的，则压缩过程和采样过程可以同步完成，在采样的过程中即可完成信息的提取。李学龙团队研究了基于深度学习的快速计算显微成像方法，深度学习用以减少光学显微成像数据采集量，压缩感知用以提高光学显微成像分辨率和信噪比，继而以计算重构的模式，获得传统显微技术无法或难以直接获得的样品多维高空时分辨信息。

光谱成像技术是将光谱测量与成像技术相结合，在图像上每一个像素点都能提取出多通道的光谱特征，从而实现多空间点，多通道的精密测量和多模态识别。李学龙团队基于宽谱，高分，快照等技术，提出宽谱差分连续精细谱，参比主动校正，非线性预测等关键技术，改变了以化学分析法为单一标准的现状，为复杂海水水质分析提供新标准，是国际首创。

图6.涉水关联成像示意图

图7.压缩感知数学表达

涉水光学信息传输

涉水光学设备完成信息采集后，需要实现实时的信息传输以及后端处理。整个过程中涉及到了水下无线光通信以及涉水光学影像信息处理。水下无线光通信（Underwater Wireless Optical Communication，UWOC） 是指利用光束作为信息载体，在水下实现图像、视频等大数据量信息实时传输的技术。相比水声通信以及水下电磁波通信而言，UWOC系统具有更小的体积，更轻的重量，更低的设计成本，以及更强的隐蔽性。借助UWOC技术，未来可以构建空天地海一体化的全光通信网络。

图8.空天地海一体化光通信网络

目前，UWOC的主要研究方向包括水下信号收发器件设计、水下信道建模、以及水下信道的信号调制解调。未来，智能科学赋能的信号调制解调，湍流补偿，稳定跟瞄等技术将会在水下光通信系统中发挥不可或缺的作用。同时水下光通信也可以和水声通信，水下电磁波通信等方式进行结合，克服现有技术通信距离短，稳定性差等缺点，实现复杂水下光传输的有效性和可靠性。

涉水光学信息处理

涉水光学影像是涉水光学信息探测的重要信息载体，涉水光学影像信息处理在涉水微弱暗小目标探测识别、水下安防、涉水生态监测、涉水设备检测、涉水军事侦察等方面具有重要应用价值。

涉水影像复原技术从涉水光学成像原理出发，首先建立涉水影像的退化模型，再通过先验信息和前提假设估计出影响影像清晰度的干扰因子，并利用反演退化过程，消除干扰因子影响，从而提高影像清晰度。未来如何在不受水下作业场景和外界条件限制的情况下，特别是在面向水下不同环境下，设计出高鲁棒性、强适应性和实时性的水下影像复原方法是重要的研究课题。

图9.涉水影像复原技术

涉水影像增强技术是一类通过改变影像的像素值来改善视觉质量，提高对比度的非物理模型方法。该类方法往往不考虑涉水影像退化的光信号传播作用物理过程，即忽略水体光学成像参数等先验知识，通过图像处理或者机器学习的方式来提升影像质量。

图10.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。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。

图11.多探测模态认知计算

视觉信息认知计算是指利用视觉信息来探测涉水环境，通过对涉水光学影像的处理实现涉水环境探测信息的认知计算。通过机器学习方法，分析水下光学与声学多模态信息特性，从数据获取端与数据处理端协同优化多模态探测任务，采用搜集或者生成的方法不断推进水下多模态信息数据集的扩充，构建水下多模态信息决策体系，提升多模态探测信息的融合及协同处理能力，推动水下探测及导航定位等工作的突破。

涉水光学应用场景

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。深海相机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，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。李学龙团队研制了我国首套全海深高清相机“海瞳”，团队完成的“全海深高清光学成像及影像处理系统”荣获2019年中国光学工程学会科技进步奖一等奖。

解决了深海高压环境下高清视觉数据获取的难题，攻破了全海深干舱密封，水下光学像差校正，色彩复原和水下图像增强等关键技术。相机适用水深0至11000米，相关技术指标达到国际先进水平。

2017年3月，“海瞳“全海深高清相机于跟随“探索一号”完成了马里亚纳海沟科考任务，作为主相机曾4次下潜至七千米深度，3次下潜至万米深度，最大潜深达10909米，完成我国深海科考史上首次完成全海深的高清视频获取，并首次记录了位于8152米深处的狮子鱼，是当时观测到鱼类生存的最大深度，为马里亚纳海沟深渊的海洋生物，物理海洋等多学科研究提供了重要的原始数据。随后研制的“海瞳Ⅱ”全海深高清相机，于2018年9月随“探索一号”TS09航次再次进行了马里亚纳海沟科考任务，期间多次下潜，获得诸多珍贵资料，填补海洋科研领域空白。

图12.全海深高清相机及摄影直播系统

结论及展望

“但愿海波平”，“鱼戏莲叶间”。以水下安防为核心，海洋科学，海洋工程为基础，涵盖防卫，防护，生产，安全，救援等一系列应用或任务的技术研发与落地，将最大化挖掘水下安防技术体系的军事效益、经济效益和社会效益，成为以多元化、跨域化、立体化、协同化、智能化的临地安防（Vicinagearth Security）技术体系核心之一。

随着涉水光学体系的逐步完善，涉水探测技术手段的提升将极大释放海洋资源，提高生产力，使人类生产生活方式步入新阶段，生产资料的获取将产生变革性发展。海洋生物是地球上极其重要的碳汇体和碳聚体，随着海洋建设规模不断扩大和技术水平不断提高，我国海域的生态容量将不断提升，一方面可以获取大量的生产资料和生活资料，对我国持续稳定发展提供重要保障。另一方面碳汇及移碳作用越来越强，对我国的“碳中和”以及“碳达峰”的贡献将会越来越明显。

随着涉水光学相关技术的不断提高，经略海洋需要物联网，多模态认知计算等相关信息技术支撑，物联网技术为涉水光学数据获取和传输提供了重要技术手段，多模态认知计算为涉水光学信息的综合高效智能处理提供了有力支撑，实现涉水光学大数据的挖掘，高效信息传输及智能信号处理，完善涉水领域相关技术的信息化和智能化，为海洋强国建设提供可靠技术保障。