導讀 智能領域的數據主體依然是視覺、聽覺、文字等模態(tài)。其中，視覺是核心賽道，也是目前智能應用的主戰(zhàn)場。視覺的基礎是光學，光在水體及跨介質中的傳播機理是涉水成像的本質，也是視覺研究的本質。

當前，光學研究主要關注于空氣和真空中，而占地表面積、天氣現象甚至生命組織很大比例的各類水體中的視覺卻未成體系。水是生命之源，江河湖海之中、云霧雨雪之時也都是智能領域的重要藍海，有著極多的應用場景。

例如，人體約70%是水分，對光的吸收，是醫(yī)學影像基礎之一。作為“涉水光學”的提出者和踐行者，李學龍教授在《中國科學：信息科學》撰寫了57頁約五萬字的長文“涉水光學”，展示了全新的涉水世界。在未來，我們能否通過光學和智能結合的技術手段，透過雨霧、穿越湖海，擁抱更加“智能”的應用？

涉水光學（Water-related Optics）主要研究光與水的物質相互作用機理及光的跨介質傳播機理，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）體系中水下安防的重要支撐。

引言

水是生命之源，覆蓋了地球表面的71%，是全球生態(tài)，資源，社會，經濟，安全的重要戰(zhàn)略發(fā)展空間。隨著科技技術的發(fā)展，世界強國基于光學技術的水下裝備得到了高速發(fā)展，我國領水面臨的安全威脅加劇，亟需發(fā)展以水下安防為目標的涉水光學技術及裝備。

圖1.涉水光學

涉水即與水相關，泛指包括海洋，江河湖池，云雨霧雪冰等在內的水體，如圖1所示。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，通過探究其在液態(tài)，氣態(tài)，固態(tài)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源于古法語/拉丁語的visnage/vicinus（‘neighbor’），VS）體系中水下安防的重要支撐，對于我國領水的防衛(wèi)、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(fā)展到跨域場景，通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(huán)境中的影像、溫度、振動、壓力、磁場等參數信息，發(fā)展出光學在涉水領域的探測、傳感、測量、成像、通信及智能信號處理等技術。

圖2.臨地安防空間范疇

為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布局涉水光學戰(zhàn)略區(qū)域。首先提出“水下光學”，于2016年5月10日在西安倡導并舉辦了全國首屆“水下光學”高峰論壇。隨后于2018年6月22日在西安連續(xù)舉辦了第二屆，將“水下光學”發(fā)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” 并發(fā)起成立了“中國光學工程學會海洋光學專委會”。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，李學龍于2016年分別建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，提出并牽頭籌備創(chuàng)建了我國首個省部級涉水光學重點實驗室——陜西省海洋光學重點實驗室。該實驗室于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(tǒng)，榮獲了中國光學工程學會科技進步一等獎。

面對深海空間廣闊、水文特征復雜和信息難以感知等問題，李學龍于2020年在西北工業(yè)大學創(chuàng)建了智能交互與應用工信部重點實驗室，將“海洋光學”進一步發(fā)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，云雨霧雪冰等多水體領域，以及與水體相關的其它領域，圍繞“光與水的物質相互作用機理及光的跨介質傳播機理”，“復雜環(huán)境的動態(tài)目標探測”，“冗余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，觀測裝備體系不健全，場景目標數據難解析等難題，完成了系列化國產海洋觀測技術的研發(fā)和裝備研制。2022年創(chuàng)建涉水光學實驗室，并領導團隊獲得“水下智能XX導引”國家級重點項目支持，涉水光學的發(fā)展又邁出了堅實的一步。

圖3.涉水光學框架

光與水的物質相互作用機理

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。水體表觀光學特性是水體由于光場的作用而表現出的特性，由水中光場的時間，空間分布及水體固有光學性質所決定，可隨光場的變化而變化。

圖4.不同水質下可見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受到的吸收，散射和折射作用。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，研究激光與水的物質相互作用機理中的非線性過程，在水下激光切割，焊接，熔覆等激光工業(yè)領域和激光臨床醫(yī)學領域具有十分重要的意義。

涉水光學信息獲取

涉水光學數據獲取主要對涉水環(huán)境的物質及其物理參數進行精密測定和描述，是掌握涉水環(huán)境的有效方式。目前涉水光學數據獲取的主要途徑包括光學傳感技術，光譜測量技術以及光學成像探測技術。光學傳感技術是依據光學原理，通過光學技術感知環(huán)境信息，然后通過數據采集系統(tǒng)對其進行數字化采集和調節(jié)。

光學遙感技術是在遠距離沒有實際接觸的情況下通過光學技術獲取目標物體或區(qū)域的信息。遙感技術以研制先進遙感數據獲取，信息傳輸和處理裝備，隨著遙感技術的不斷進步和應用的不斷深入，未來的遙感技術將在我國海洋經濟中發(fā)揮越來越重要的作用。

圖5.最早的光學遙感技術

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(tài)，光譜測量技術極大改善了涉水測量的靈敏度和分辨率。激光誘導光譜擊穿技術對樣品進行分析的一種光譜技術，可以實現對物質的原位，實時，連續(xù)，無接觸檢測。激光拉曼光譜技術可實現海水中酸根離子濃度的長期原位監(jiān)測，對于了解海底熱液活動區(qū)，地震源區(qū)以及海底沉積物將具有重要意義。

涉水光學成像探測技術是涉水光學數據獲取中反映水體環(huán)境最直觀的探測技術。

涉水距離選通成像技術確保目標反射后的信號光剛好在選通工作時間內到達。

涉水偏振成像技術可以有效抑制后向散射光，實現涉水光學清晰成像。

載波調制成像技術能夠實現對散射低頻分量的抑制。李學龍團隊研制了高能量微波頻率調制激光器，并合作開發(fā)了微波頻率調制的激光雷達系統(tǒng)，具有提高信噪比，增加水下探測距離的能力，能夠有效地解決了后向散射問題，并實現了環(huán)境與設備的智能交互，提升了水下探測距離。

關聯成像技術利用單像素強度探測器收集目標光強信號，結合投影光場重建圖像，同時這種成像方式可以將環(huán)境模型及深度學習神經網絡納入成像算法中，可以在弱光條件下實現智能計算成像，解決傳統(tǒng)水下成像抗干擾能力弱的問題。李學龍團隊研制了水下關聯成像系統(tǒng)，配合智能科學算法，已經實現了不同濁度下的圖像高清重構。

壓縮感知理論是一種全新的信號采樣理論，如果信號是可壓縮的，或者信號在某個變換基下是稀疏的，則壓縮過程和采樣過程可以同步完成，在采樣的過程中即可完成信息的提取。李學龍團隊研究了基于深度學習的快速計算顯微成像方法，深度學習用以減少光學顯微成像數據采集量，壓縮感知用以提高光學顯微成像分辨率和信噪比，繼而以計算重構的模式，獲得傳統(tǒng)顯微技術無法或難以直接獲得的樣品多維高空時分辨信息。

光譜成像技術是將光譜測量與成像技術相結合，在圖像上每一個像素點都能提取出多通道的光譜特征，從而實現多空間點，多通道的精密測量和多模態(tài)識別。李學龍團隊基于寬譜，高分，快照等技術，提出寬譜差分連續(xù)精細譜，參比主動校正，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，為復雜海水水質分析提供新標準，是國際首創(chuàng)。

圖6.涉水關聯成像示意圖

圖7.壓縮感知數學表達

涉水光學信息傳輸

涉水光學設備完成信息采集后，需要實現實時的信息傳輸以及后端處理。整個過程中涉及到了水下無線光通信以及涉水光學影像信息處理。水下無線光通信（Underwater Wireless Optical Communication，UWOC） 是指利用光束作為信息載體，在水下實現圖像、視頻等大數據量信息實時傳輸的技術。相比水聲通信以及水下電磁波通信而言，UWOC系統(tǒng)具有更小的體積，更輕的重量，更低的設計成本，以及更強的隱蔽性。借助UWOC技術，未來可以構建空天地海一體化的全光通信網絡。

圖8.空天地海一體化光通信網絡

目前，UWOC的主要研究方向包括水下信號收發(fā)器件設計、水下信道建模、以及水下信道的信號調制解調。未來，智能科學賦能的信號調制解調，湍流補償，穩(wěn)定跟瞄等技術將會在水下光通信系統(tǒng)中發(fā)揮不可或缺的作用。同時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(wěn)定性差等缺點，實現復雜水下光傳輸的有效性和可靠性。

涉水光學信息處理

涉水光學影像是涉水光學信息探測的重要信息載體，涉水光學影像信息處理在涉水微弱暗小目標探測識別、水下安防、涉水生態(tài)監(jiān)測、涉水設備檢測、涉水軍事偵察等方面具有重要應用價值。

涉水影像復原技術從涉水光學成像原理出發(fā)，首先建立涉水影像的退化模型，再通過先驗信息和前提假設估計出影響影像清晰度的干擾因子，并利用反演退化過程，消除干擾因子影響，從而提高影像清晰度。未來如何在不受水下作業(yè)場景和外界條件限制的情況下，特別是在面向水下不同環(huán)境下，設計出高魯棒性、強適應性和實時性的水下影像復原方法是重要的研究課題。

圖9.涉水影像復原技術

涉水影像增強技術是一類通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。該類方法往往不考慮涉水影像退化的光信號傳播作用物理過程，即忽略水體光學成像參數等先驗知識，通過圖像處理或者機器學習的方式來提升影像質量。

圖10.涉水影像增強技術

涉水影像質量評價是針對于水下影像退化機制的綜合影像質量評價標準。如何從視覺顯著性、認知心理學以及信息量度量的角度出發(fā)，需構建出更符合人類主觀感受的水下影像質量評價方法是未來值得探索的研究方向。

圖11.多探測模態(tài)認知計算

視覺信息認知計算是指利用視覺信息來探測涉水環(huán)境，通過對涉水光學影像的處理實現涉水環(huán)境探測信息的認知計算。通過機器學習方法，分析水下光學與聲學多模態(tài)信息特性，從數據獲取端與數據處理端協(xié)同優(yōu)化多模態(tài)探測任務，采用搜集或者生成的方法不斷推進水下多模態(tài)信息數據集的擴充，構建水下多模態(tài)信息決策體系，提升多模態(tài)探測信息的融合及協(xié)同處理能力，推動水下探測及導航定位等工作的突破。

涉水光學應用場景

為了獲得真實的海底環(huán)境，在水下安防的建設中，深海相機系統(tǒng)必不可少。深海相機可廣泛搭載于載人潛水器，水下機器人，著陸器等深海運載器，是深海資源勘測，深海礦產開發(fā)，海洋生態(tài)觀測及深海生物，化學活動觀測的必須手段。李學龍團隊研制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(tǒng)”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(huán)境下高清視覺數據獲取的難題，攻破了全海深干艙密封，水下光學像差校正，色彩復原和水下圖像增強等關鍵技術。相機適用水深0至11000米，相關技術指標達到國際先進水平。

2017年3月，“海瞳“全海深高清相機于跟隨“探索一號”完成了馬里亞納海溝科考任務，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，完成我國深海科考史上首次完成全海深的高清視頻獲取，并首次記錄了位于8152米深處的獅子魚，是當時觀測到魚類生存的最大深度，為馬里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。隨后研制的“海瞳Ⅱ”全海深高清相機，于2018年9月隨“探索一號”TS09航次再次進行了馬里亞納海溝科考任務，期間多次下潛，獲得諸多珍貴資料，填補海洋科研領域空白。

圖12.全海深高清相機及攝影直播系統(tǒng)

結論及展望

“但愿海波平”，“魚戲蓮葉間”。以水下安防為核心，海洋科學，海洋工程為基礎，涵蓋防衛(wèi)，防護，生產，安全，救援等一系列應用或任務的技術研發(fā)與落地，將最大化挖掘水下安防技術體系的軍事效益、經濟效益和社會效益，成為以多元化、跨域化、立體化、協(xié)同化、智能化的臨地安防（Vicinagearth Security）技術體系核心之一。

隨著涉水光學體系的逐步完善，涉水探測技術手段的提升將極大釋放海洋資源，提高生產力，使人類生產生活方式步入新階段，生產資料的獲取將產生變革性發(fā)展。海洋生物是地球上極其重要的碳匯體和碳聚體，隨著海洋建設規(guī)模不斷擴大和技術水平不斷提高，我國海域的生態(tài)容量將不斷提升，一方面可以獲取大量的生產資料和生活資料，對我國持續(xù)穩(wěn)定發(fā)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(tài)認知計算等相關信息技術支撐，物聯網技術為涉水光學數據獲取和傳輸提供了重要技術手段，多模態(tài)認知計算為涉水光學信息的綜合高效智能處理提供了有力支撐，實現涉水光學大數據的挖掘，高效信息傳輸及智能信號處理，完善涉水領域相關技術的信息化和智能化，為海洋強國建設提供可靠技術保障。