水下视觉智能研究迈不过的一道坎：涉水光学

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, VS)体系中水下安防的重要学科支撑。

1 引言

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。比水下光学，海洋光学考虑更为充分，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1 涉水光学

目前涉水光学发展面临着水体对光高吸收，强散射等瓶颈问题，其发展现状远远落后于实际需求，因此涉水光学领域亟需更多的关注。

为了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新时代涉水光学战略区域，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”。

至撰稿时为止，论坛已经成功举办了五届，其中第五届论坛(2022年)吸引了超过3万人在线关注及参会，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。

随着海洋科技研发持续深入，人类对海洋的认知能力和技术装备水平也不断提高，“海洋光学”已经从传统研究海洋光学性质，光在海洋中传播规律和运用光学技术探测海洋的科学，进一步发展为以研究深海科学技术与装备为核心，建设深海基地，探测深海空间，开发深海资源的综合科学。

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，充分考虑水体与空气等介质之间，光学设备与算法之间的紧密联系，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2 涉水光学框架

2 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。水体固有光学特性是自然水体本身的光学参数，独立于环境光场。常用的水体固有光学参量包括光谱吸收系数，光谱散射系数，光谱衰减系数，体散射函数，后向散射系数，前向散射系数，光束衰减系数等。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3 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。“一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红”，生动阐述了光入射到水体中会发生散射，折射，并体现了光的色散特性。

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，当光强小于水体中的击穿阈值时，光与水的相互作用会产生受激拉曼散射，振动散射和布里渊散射等非线性过程。当光强大于水体的击穿阈值后，多光子激发，逆轫致吸收及电子碰撞雪崩电离将会使水体击穿，产生等离子体辐射。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。

3 涉水光学信息获取

信息能够反应出自然界的事物特征和本质，人类可通过获得并识别自然界的不同信息来认识和改造世界。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。

3.1光学传感技术

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，主要包括光学遥感技术和光学原位传感技术。

3.2光谱测量技术

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。

1）激光诱导光谱击穿技术

激光诱导光谱击穿技术是基于激光作用于物质，产生瞬态等离子体，根据等离子体中原子和离子的特征发射谱，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。

2）激光拉曼光谱技术

激光拉曼光谱技术作为一种原位，实时，无损，多物质同时探测的光学传感器技术，具备对涉水环境下目标物的成分定量检测能力，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。

3.3 光学成像探测技术

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。水下声学成像分辨率低、采集处理速度慢、无法实时高分辨成像制约了其在水下成像方向的进展。水下光学成像技术可利用视觉成像设备直接获取图像或视频信息，实现对水下目标的采集与分析。

1.距离选通成像技术

涉水距离选通成像技术的工作原理是通过时间控制去除不包含目标信号的散射光引入的背景噪声，而确保目标反射后的信号光刚好在选通工作时间内到达。李学龙团队基于该原理研制了距离选通成像样机，实现了6倍衰减距离的成像。

2.偏振成像技术

涉水偏振成像技术通过比较散射光场偏振信息的差异性和唯一性，分析图像中目标与背景偏振特性的变化趋势，反演目标信息光和背景散射光的强度变化，可以有效抑制后向散射光，实现涉水光学清晰成像。

3.载波调制成像技术

载波调制成像技术使用一个高频微波副载波信号对激光器发射的光脉冲进行调制，经过水体产生后向散射后，在接收端通过以调制频率为中心频点的带通滤波器对散射光进行滤除，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。

4.关联成像技术

关联成像是一种利用光场的二阶相干性来实现成像的技术，作为一种非局域的成像技术，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。

图4涉水关联成像示意图

5.压缩感知成像技术

压缩感知理论是一种全新的信号采样理论，如图5所示，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。

图5压缩感知数学表达

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。以数据驱动为代表的深度学习技术和以物理模型驱动为代表的压缩感知技术，改善了实际成像物理过程的不可预见性与高维病态逆问题求解的复杂性。

6.光谱成像技术

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。

4 涉水光学信息传输

涉水光学设备完成信息采集后，需要将实时的信息传输至后端处理。整个过程包括水下无线光通信和涉水光学影像信息处理两个关键技术。水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication, UWOC) 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。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，更低的设计成本，以及更强的隐蔽性。借助UWOC技术，可以构建空天地海一体化的全光通信网络，如图6所示。

图6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。然而，UWOC无法应用在实际的长距离，强湍流，高速率的无线通信过程中。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。此外，在未来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，最终在复杂的水下光传输场景中提高通信链路的有效性以及可靠性。

5 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，包含着大量的信息，如何对光学影像进行智能处理，快速准确的恢复、增强，提取影像中的有效信息，是涉水光学影像信息处理的关注点。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、涉水的军事侦察等方面具有重要应用价值。

5.1涉水影像复原及增强技术

涉水影像复原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。

图7涉水影像复原技术

涉水影像增强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。

5.2涉水影像质量评价

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，水下视场角达60°，分辨率1920×1080，水下重量为10kg，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，共采集到长达12小时的高清视频，在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，这是当时国际上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。期间完成了10次下潜，其中4次下潜至万米深度，采集到140小时有效高清视频，数据量共计233GB，获得了诸多珍贵海洋观测资料，填补了多项海洋科研领域空白。

此外，海洋牧场监测，海洋油气勘探，涉水管网监测，海洋光伏等也是重要的应用场景。

6.2涉水探测与通信

海洋是世界各国争夺的重要战略资源，全面掌握我国领水的基础数据是维护国家海洋权益的基础，全天候水域监视是水下监视与安全防卫的手段。发展涉水探测与通信技术，将有助于我国提高应对复杂局面的能力，提高海洋维权的能力。水下激光雷达探测，水下光学隐蔽，激光反潜反雷，水下光电对抗，激光对潜通信，水下光学导引，涉水安全救援是主要的应用场景。

6.3涉水激光工业

水下安防中，尤其是江河，湖泊，海洋资源的开发和利用离不开各种水中工程的搭建，例如建设港口码头，维修舰船，搭建油井平台，铺设和维护管道等一系列的涉水工程。随着各国对激光焊接设备研究与开发的深入，应用于水下激光焊接的大功率激光器已经普遍出现。

另外，为延长海水环境中工业结构部件的使用寿命，降低建造成本，通常使用水下原位修复技术对受损和老化的工业结构部件进行修复和维护。水下激光熔覆技术有效解决办法，具有热输入可控，效率高，稳定性好，受水压影响小，焊接材料广泛，热输入量低，冷却速度快，热影响区小，残余应力低等优点。

7 结论及展望

随着涉水光学学科体系的逐步完善，世界局势将面临巨大转折，海洋已然成为各国争夺的战略资源。涉水探测技术手段的提升将极大地释放海洋资源，生产力得到进一步提升，人类生产生活方式将步入新的发展阶段，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。