導(dǎo)讀 智能領(lǐng)域的數(shù)據(jù)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(yīng)用的主戰(zhàn)場。視覺的基礎(chǔ)是光學(xué)，光在水體及跨介質(zhì)中的傳播機理是涉水成像的本質(zhì)，也是視覺研究的本質(zhì)。

當(dāng)前，光學(xué)研究主要關(guān)注于空氣和真空中，而占地表面積、天氣現(xiàn)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(lǐng)域的重要藍海，有著極多的應(yīng)用場景。

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

涉水光學(xué)（Water-related Optics）主要研究光與水的物質(zhì)相互作用機理及光的跨介質(zhì)傳播機理，解決與涉水光學(xué)數(shù)據(jù)智能獲取，信息傳輸及智能信號處理有關(guān)的各種問題，探索光學(xué)在涉水領(lǐng)域中應(yīng)用的科學(xué)，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(jīng)濟，安全的重要戰(zhàn)略發(fā)展空間。隨著科技技術(shù)的發(fā)展，世界強國基于光學(xué)技術(shù)的水下裝備得到了高速發(fā)展，我國領(lǐng)水面臨的安全威脅加劇，亟需發(fā)展以水下安防為目標(biāo)的涉水光學(xué)技術(shù)及裝備。

圖1.涉水光學(xué)

涉水即與水相關(guān)，泛指包括海洋，江河湖池，云雨霧雪冰等在內(nèi)的水體，如圖1所示。涉水光學(xué)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(xué)特性，及光在水體，跨介質(zhì)中的傳播機理，解決與涉水領(lǐng)域中的光學(xué)數(shù)據(jù)智能獲取，信息傳輸及智能信號處理有關(guān)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(lǐng)水的防衛(wèi)、保護、生產(chǎn)、安全、救援具有重要的意義。“涉水光學(xué)”在“水下光學(xué)”和“海洋光學(xué)”單一場景的基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展到跨域場景，通過測量水體及跨介質(zhì)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(zhì)環(huán)境中的影像、溫度、振動、壓力、磁場等參數(shù)信息，發(fā)展出光學(xué)在涉水領(lǐng)域的探測、傳感、測量、成像、通信及智能信號處理等技術(shù)。

圖2.臨地安防空間范疇

為促進我國涉水光學(xué)技術(shù)交流及產(chǎn)學(xué)研用，李學(xué)龍領(lǐng)導(dǎo)團隊前瞻布局涉水光學(xué)戰(zhàn)略區(qū)域。首先提出“水下光學(xué)”，于2016年5月10日在西安倡導(dǎo)并舉辦了全國首屆“水下光學(xué)”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(xué)”發(fā)展為重新定義的“海洋光學(xué)”，論壇正式更名為“全國海洋光學(xué)高峰論壇” 并發(fā)起成立了“中國光學(xué)工程學(xué)會海洋光學(xué)專委會”。全國海洋光學(xué)高峰論壇已經(jīng)成為我國最重要，最受關(guān)注的光學(xué)會議之一。在促進產(chǎn)學(xué)研用方面，李學(xué)龍于2016年分別建立了青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室（時籌）與本單位的海洋光學(xué)聯(lián)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(xué)重點實驗室——陜西省海洋光學(xué)重點實驗室。該實驗室于2018年獲批成立，李學(xué)龍擔(dān)任首任主任，帶領(lǐng)團隊完成的全海深高清光學(xué)成像及影像處理系統(tǒng)，榮獲了中國光學(xué)工程學(xué)會科技進步一等獎。

面對深海空間廣闊、水文特征復(fù)雜和信息難以感知等問題，李學(xué)龍于2020年在西北工業(yè)大學(xué)創(chuàng)建了智能交互與應(yīng)用工信部重點實驗室，將“海洋光學(xué)”進一步發(fā)展為“涉水光學(xué)”，將研究對象從單一領(lǐng)域拓展至海洋，江河湖池，云雨霧雪冰等多水體領(lǐng)域，以及與水體相關(guān)的其它領(lǐng)域，圍繞“光與水的物質(zhì)相互作用機理及光的跨介質(zhì)傳播機理”，“復(fù)雜環(huán)境的動態(tài)目標(biāo)探測”，“冗余異質(zhì)下高信容數(shù)據(jù)解算”等一系列科學(xué)問題，領(lǐng)導(dǎo)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(biāo)數(shù)據(jù)難解析等難題，完成了系列化國產(chǎn)海洋觀測技術(shù)的研發(fā)和裝備研制。2022年創(chuàng)建涉水光學(xué)實驗室，并領(lǐng)導(dǎo)團隊獲得“水下智能XX導(dǎo)引”國家級重點項目支持，涉水光學(xué)的發(fā)展又邁出了堅實的一步。

圖3.涉水光學(xué)框架

光與水的物質(zhì)相互作用機理

水體的光學(xué)特性是光與水的物質(zhì)相互作用的宏觀表現(xiàn)，是研究涉水光學(xué)的重要依據(jù)。水體表觀光學(xué)特性是水體由于光場的作用而表現(xiàn)出的特性，由水中光場的時間，空間分布及水體固有光學(xué)性質(zhì)所決定，可隨光場的變化而變化。

圖4.不同水質(zhì)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(lǐng)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(zhì)相互作用過程中，研究激光與水的物質(zhì)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(lǐng)域和激光臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有十分重要的意義。

涉水光學(xué)信息獲取

涉水光學(xué)數(shù)據(jù)獲取主要對涉水環(huán)境的物質(zhì)及其物理參數(shù)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(xué)數(shù)據(jù)獲取的主要途徑包括光學(xué)傳感技術(shù)，光譜測量技術(shù)以及光學(xué)成像探測技術(shù)。光學(xué)傳感技術(shù)是依據(jù)光學(xué)原理，通過光學(xué)技術(shù)感知環(huán)境信息，然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對其進行數(shù)字化采集和調(diào)節(jié)。

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

圖5.最早的光學(xué)遙感技術(shù)

光譜能夠用來研究辨識水體及水中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，組成及狀態(tài)，光譜測量技術(shù)極大改善了涉水測量的靈敏度和分辨率。激光誘導(dǎo)光譜擊穿技術(shù)對樣品進行分析的一種光譜技術(shù)，可以實現(xiàn)對物質(zhì)的原位，實時，連續(xù)，無接觸檢測。激光拉曼光譜技術(shù)可實現(xiàn)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(xué)成像探測技術(shù)是涉水光學(xué)數(shù)據(jù)獲取中反映水體環(huán)境最直觀的探測技術(shù)。

涉水距離選通成像技術(shù)確保目標(biāo)反射后的信號光剛好在選通工作時間內(nèi)到達。

涉水偏振成像技術(shù)可以有效抑制后向散射光，實現(xiàn)涉水光學(xué)清晰成像。

載波調(diào)制成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對散射低頻分量的抑制。李學(xué)龍團隊研制了高能量微波頻率調(diào)制激光器，并合作開發(fā)了微波頻率調(diào)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(xiàn)了環(huán)境與設(shè)備的智能交互，提升了水下探測距離。

關(guān)聯(lián)成像技術(shù)利用單像素強度探測器收集目標(biāo)光強信號，結(jié)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(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)納入成像算法中，可以在弱光條件下實現(xiàn)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(xué)龍團隊研制了水下關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，配合智能科學(xué)算法，已經(jīng)實現(xiàn)了不同濁度下的圖像高清重構(gòu)。

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(xué)龍團隊研究了基于深度學(xué)習(xí)的快速計算顯微成像方法，深度學(xué)習(xí)用以減少光學(xué)顯微成像數(shù)據(jù)采集量，壓縮感知用以提高光學(xué)顯微成像分辨率和信噪比，繼而以計算重構(gòu)的模式，獲得傳統(tǒng)顯微技術(shù)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(shù)是將光譜測量與成像技術(shù)相結(jié)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(xiàn)多空間點，多通道的精密測量和多模態(tài)識別。李學(xué)龍團隊基于寬譜，高分，快照等技術(shù)，提出寬譜差分連續(xù)精細譜，參比主動校正，非線性預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)，改變了以化學(xué)分析法為單一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，為復(fù)雜海水水質(zhì)分析提供新標(biāo)準(zhǔn)，是國際首創(chuàng)。

圖6.涉水關(guān)聯(lián)成像示意圖

圖7.壓縮感知數(shù)學(xué)表達

涉水光學(xué)信息傳輸

涉水光學(xué)設(shè)備完成信息采集后，需要實現(xiàn)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(xué)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(xiàn)圖像、視頻等大數(shù)據(jù)量信息實時傳輸?shù)募夹g(shù)。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(shè)計成本，以及更強的隱蔽性。借助UWOC技術(shù)，未來可以構(gòu)建空天地海一體化的全光通信網(wǎng)絡(luò)。

圖8.空天地海一體化光通信網(wǎng)絡(luò)

目前，UWOC的主要研究方向包括水下信號收發(fā)器件設(shè)計、水下信道建模、以及水下信道的信號調(diào)制解調(diào)。未來，智能科學(xué)賦能的信號調(diào)制解調(diào)，湍流補償，穩(wěn)定跟瞄等技術(shù)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(jié)合，克服現(xiàn)有技術(shù)通信距離短，穩(wěn)定性差等缺點，實現(xiàn)復(fù)雜水下光傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

涉水光學(xué)信息處理

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

涉水影像復(fù)原技術(shù)從涉水光學(xué)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(shè)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(shè)計出高魯棒性、強適應(yīng)性和實時性的水下影像復(fù)原方法是重要的研究課題。

圖9.涉水影像復(fù)原技術(shù)

涉水影像增強技術(shù)是一類通過改變影像的像素值來改善視覺質(zhì)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(xué)成像參數(shù)等先驗知識，通過圖像處理或者機器學(xué)習(xí)的方式來提升影像質(zhì)量。

圖10.涉水影像增強技術(shù)

涉水影像質(zhì)量評價是針對于水下影像退化機制的綜合影像質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。如何從視覺顯著性、認(rèn)知心理學(xué)以及信息量度量的角度出發(fā)，需構(gòu)建出更符合人類主觀感受的水下影像質(zhì)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(rèn)知計算

視覺信息認(rèn)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(xué)影像的處理實現(xiàn)涉水環(huán)境探測信息的認(rèn)知計算。通過機器學(xué)習(xí)方法，分析水下光學(xué)與聲學(xué)多模態(tài)信息特性，從數(shù)據(jù)獲取端與數(shù)據(jù)處理端協(xié)同優(yōu)化多模態(tài)探測任務(wù)，采用搜集或者生成的方法不斷推進水下多模態(tài)信息數(shù)據(jù)集的擴充，構(gòu)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(dǎo)航定位等工作的突破。

涉水光學(xué)應(yīng)用場景

為了獲得真實的海底環(huán)境，在水下安防的建設(shè)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(chǎn)開發(fā)，海洋生態(tài)觀測及深海生物，化學(xué)活動觀測的必須手段。李學(xué)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(xué)成像及影像處理系統(tǒng)”榮獲2019年中國光學(xué)工程學(xué)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(shù)據(jù)獲取的難題，攻破了全海深干艙密封，水下光學(xué)像差校正，色彩復(fù)原和水下圖像增強等關(guān)鍵技術(shù)。相機適用水深0至11000米，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)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(wù)，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?？瓶际飞鲜状瓮瓿扇Ｉ畹母咔逡曨l獲取，并首次記錄了位于8152米深處的獅子魚，是當(dāng)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(xué)科研究提供了重要的原始數(shù)據(jù)。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(wù)，期間多次下潛，獲得諸多珍貴資料，填補海洋科研領(lǐng)域空白。

圖12.全海深高清相機及攝影直播系統(tǒng)

結(jié)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(xué)，海洋工程為基礎(chǔ)，涵蓋防衛(wèi)，防護，生產(chǎn)，安全，救援等一系列應(yīng)用或任務(wù)的技術(shù)研發(fā)與落地，將最大化挖掘水下安防技術(shù)體系的軍事效益、經(jīng)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(shù)體系核心之一。

隨著涉水光學(xué)體系的逐步完善，涉水探測技術(shù)手段的提升將極大釋放海洋資源，提高生產(chǎn)力，使人類生產(chǎn)生活方式步入新階段，生產(chǎn)資料的獲取將產(chǎn)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(shè)規(guī)模不斷擴大和技術(shù)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(chǎn)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(xué)相關(guān)技術(shù)的不斷提高，經(jīng)略海洋需要物聯(lián)網(wǎng)，多模態(tài)認(rèn)知計算等相關(guān)信息技術(shù)支撐，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為涉水光學(xué)數(shù)據(jù)獲取和傳輸提供了重要技術(shù)手段，多模態(tài)認(rèn)知計算為涉水光學(xué)信息的綜合高效智能處理提供了有力支撐，實現(xiàn)涉水光學(xué)大數(shù)據(jù)的挖掘，高效信息傳輸及智能信號處理，完善涉水領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的信息化和智能化，為海洋強國建設(shè)提供可靠技術(shù)保障。