Water-relatedOptics（水相关光学）主要研究光与水的相互作用机制和光跨介质的传输机制，解决问题涉及涉水光学数据。涉及智能采集、信息传输和智能信号处理的各种问题，以及涉水领域的光学科学探索，是VicinagearthSecurity（VS）系统水下安全保障的重要课题支撑。1引言涉水与水有关，泛指包括海洋、河流、湖泊、云、雨、雾、雪、冰等水体，如图1所示。与水下光学相比，海洋光学考虑更充分。涉水光学的研究对象涵盖作为光传播路径的一部分或全部的所有水体。通过探索其在液态、气态、固态和光在水体中的光学特性、跨介质传输机制，解决了涉及涉水领域的光学数据智能采集、信息传输和信号智能处理的各类问题。vicinus(‘neighbor’，VS)系统水下安全保障的重要支撑，对我国领海的防御、防护、生产、安全和救援具有重要意义。在“水下光学”、“海洋光学”单一场景的基础上，“涉水光学”进一步发展为跨领域场景。通过测量光在水体和跨介质中传播的相位、强度、频率、偏振等物理量，开发出水体和跨介质环境中的图像、温度、振动、压力、磁场等参数信息水领域的光学检测、传感、测量、成像、通信和智能信号处理技术。图1涉水光学目前，涉水光学的发展面临光吸收高、水体散射强等瓶颈，其发展现状远远落后于实际需求。因此，涉水光学领域迫切需要更多的关注。为推动我国涉水光学技术交流和产学研应用，李学龙领导团队前瞻布局新时代涉水光学战略领域，率先提出“水下光学”，倡导并召开全国首届“2016年5月10日“水下光学”高峰论坛在西安举行。随后，2018年6月22日连续第二届在西安举行，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“光学工程学会中国海洋光学专业委员会”。截至发稿，论坛已成功举办五届，其中第五届session（2022）吸引了超过30000人的在线关注和参与，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。es。在推动产学研应用方面，李学龙于2016年成立青岛海洋科学与技术国家实验室（石丑）和本单位海洋光学联合实验室，同年提出并牵头筹建为建立我国第一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。实验室于2018年获批成立，李学龙任第一任主任。带领团队完成全海深海高清光学成像及图像处理系统，获中国光学工程学会科技进步一等奖。随着海洋科技研发的不断深入，人类对海洋的认知能力和技术装备水平也在不断提高。《海洋光学》传统上研究海洋的光学特性、光在海洋中传播的规律以及利用光学技术探测海洋的科学。进一步发展成为以研究深海科学技术与装备、建设深海基地、探索深海空间、开发深海资源为核心的综合性科学。面对深海空间广阔、水文特征复杂、信息感知困难等问题，李学龙于2020年在西北工业大学成立了工信部智能交互与应用重点实验室，充分考虑到水和空气与其他介质、光学设备和算法之间的关系。它们之间的紧密联系进一步将“海洋光学”发展为“涉水光学”，研究对象从单一领域扩展到海洋、河流、湖泊、云、雨、雾、雪、冰等水体领域，如以及与水体相关的其他领域。围绕“光与水的物质相互作用机制及跨介质光传输机制”、“复杂环境下的动态目标检测”、“冗余异质性下的大容量数据计算”等一系列科学问题，领导团队攻克了退化机理难以建模、观测装备体系不完善、场景目标数据难以分析等问题，完成了系列化的国内海洋观测技术和装备研制。2022年，涉水光学实验室成立，领导团队获得国家重点项目“水下XX制导”的支持，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光与水相互作用的机理水体的光学特性是光与水相互作用的宏观表现，是涉水光学研究的重要基础。水体固有的光学特性是天然水体本身的光学参数，与环境光场无关。常用的水体本征光学参数有光谱吸收系数、光谱散射系数、光谱衰减系数、体积散射函数、后向散射系数、前向散射系数、光束衰减系数等。水体由于光场的作用。它是由光场在水中的时空分布和水体固有的光学特性决定的，可以随着光场的变化而变化。图3不同水质下可见光谱中不同波长的衰减水对光的线性效应是指光在涉水场地传输过程中的吸收、散射和折射。“一缕夕阳铺过水面，半江沙沙，半江红”，形象地阐述了光线入射到水体上会发生散射和折射，体现了色散特性的光。水对光的非线性效应是指光与水之间的相互作用。当光强小于水中的击穿阈值时，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。非线性过程，例如散射。当光强大于水体的击穿阈值时，多光子激发、逆轫致辐射吸收和电子碰撞雪崩电离会使水体发生击穿，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，对于水下激光切割、焊接、熔覆和激光临床医学等激光工业领域具有重要意义。3涉水光信息获取信息可以反映自然界事物的特征和本质，人类通过获取和识别自然界中不同的信息来认识和改造世界。涉水光学数据采集主要是对涉水环境的物质和物理参数进行精确测量和描述，是掌握涉水环境的有效途径。目前，涉水光学数据采集的主要方式有光学传感技术、光谱测量技术和光学成像检测技术。3.1光学传感技术光学传感技术是基于光学原理，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整，主要包括光学遥感技术和光学原位传感技术。3.2光谱测量技术光谱可以用来研究和鉴定水体和水中物质的结构、组成和状态。光谱测量技术大大提高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光谱对样品进行分析。可实现对物质的原位、实时、连续、非接触检测。2）激光拉曼光谱技术作为一种原位、实时、无损、多物质检测的光学传感器技术，激光拉曼光谱技术具有对涉水环境中目标物体成分进行定量检测的能力，能够实现海水中酸根的检测。离子浓度的长期原位监测对于了解热液活动区、震源区和海底沉积物具有重要意义。3.3光学成像检测技术涉水光学成像检测技术是涉水光学数据采集中反映水体环境最直观的检测技术。水声成像分辨率低，采集和处理速度慢，无法实时高分辨率成像，制约了其在水下成像方向的进步。水下光学成像技术可以利用视觉成像设备直接获取图像或视频信息，实现对水下目标的获取和分析。1.距离门控成像技术涉水距离门控成像技术的工作原理是通过时间控制去除不含目标信号的散射光引入的背景噪声，保证目标反射的信号光恰好在浇口工作时间。基于这一原理，李学龙团队研发了距离门控成像样机，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，分析图像中目标和背景偏振特性的变化趋势，反演其强度变化。目标信息光和背景散射光，可有效抑制后向散射光，实现清晰的涉水光学成像。3.载波调制成像技术载波调制成像技术是利用高频微波副载波信号对激光器发射的光脉冲进行调制。被水体反向散射后，在接收端通过以调制频率为中心频点的带通滤波器。滤波器过滤散射光以抑制散射的低频分量。李学龙团队研制出高能微波调频激光器，联合研制微波调频激光雷达系统，具有提高信噪比和增加水下探测距离的能力，并能有效解决后向散射问题并实现环境与设备的智能交互，提高水下探测距离。4、相关成像技术相关成像是利用光场的二阶相干性实现成像的技术。作为一种非局部成像技术，采用单像素强度检测器采集目标光强信号，结合投影光场，同时该成像方法可以将环境模型和深度学习神经网络融入到成像算法，可实现弱光条件下的智能计算成像，解决传统水下成像抗干扰能力弱的问题。李学龙团队研发了水下相关成像系统，通过智能科学算法，实现了不同浊度下图像的高清重建。图4涉水相关成像示意图5.压缩感知成像技术压缩感知理论是一种新的信号采样理论，如图5所示，如果信号是可压缩的，或者信号在一定的变换基础下是稀疏的，那么压缩过程和采样过程可以同时完成，信息提取可以在采样过程中完成。图5压缩感知数学表达式李学龙团队研究了一种基于深度学习的快速计算显微成像方法。深度学习用于减少光学显微成像中收集的数据量。压缩传感用于提高光学显微成像的分辨率和信噪比。然后，在计算重建??的模式下，获得传统显微技术不能或难以直接获得的样品的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，提高了实际成像物理过程的不可预测性和求解高维病态反问题的复杂性。6.光谱成像技术光谱成像技术是光谱测量和成像技术的结合。图像上的每个像素都可以提取多通道光谱特征，从而实现多空间点、多通道精密测量和多模态。确认。基于广谱、高分、快照等技术，李学龙团队提出了广谱微分连续精细谱、参考主动校正、非线性预测等关键技术，改变了化学分析作为单一方法使用的现状标准并提供复杂的海水水质分析。这是一项提供新标准的国际倡议。4涉水光学信息传输涉水光学设备完成信息采集后，需要将实时信息传输到后端进行处理。整个过程包括水下无线光通信和涉水光学图像信息处理两项关键技术。水下无线光通信（UnderwaterWirelessOpticalCommunication，UWOC）以光束为信息载体，实现水下图像、视频等大数据量的实时传输。与水声通信和水下电磁波通信相比，UOWC系统体积更小、设计成本更低、隐蔽性更强。借助UWOC技术，可构建集空、天、地、海于一体的全光通信网络，如图6所示。图6空天地海一体化光通信网络目前主要有UOWC的研究方向包括水下信号收发装置设计、水下信道建模、水下信道信号调制解调等。然而，UOWC无法应用于实际的远距离、强湍流、高速无线通信过程。未来，智能科学赋能的信号调制解调、湍流补偿、稳定跟踪瞄准等技术将在水下光通信系统中发挥不可或缺的作用。此外，未来水下光通信还可以与水声通信、水下电磁波通信等相结合，克服现有技术通信距离短、稳定性差等缺点，最终改善通信链路。复杂的水下光传输场景。道路可用性和可靠性。5涉水光学信息处理涉水光学图像是涉水光学信息检测的重要信息载体，其信息量很大。如何对光学图像进行智能化处理，快速准确地进行修复和增强，提取图像中的有效信息是一个关键问题。涉水光学图像信息处理的重点。涉水光学图像信息处理在涉水弱暗目标检测识别、水下安防、涉水生态监测、涉水装备检测、涉水军事侦察等方面具有重要应用价值。5.1涉水图像修复与增强技术从涉水光学成像原理出发，涉水图像复原首先建立涉水图像退化模型，然后通过先验信息和假设估计影响图像清晰度的干扰因素，并利用反射演化退化过程，消除干扰因素的影响，从而提高图像清晰度。图7涉水图像复原技术涉水图像增强是一种通过改变图像的像素值来提高视觉质量和对比度的非物理模型方法。5.2涉水图像质量评价图8涉水图像增强技术涉水图像质量评价是针对水下图像退化机理的综合图像质量评价标准。目前，水下图像质量评价方法通常是计算几个测量角度的加权得分，权重往往是根据经验确定的。因此，水下图像质量评价得分往往与人的主观感受相差甚远。如何从视觉显着性、认知心理学、信息量测量等角度构建更符合人类主观感知的水下图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多检测模式认知计算涉水环境认知计算为涉水资源的开发利用提供了良好的基础。的关键技术之一。6涉水光学应用场景：在国际形势和国家需求的推动下，水下安全（VicinagearthSecurity，VS）应运而生。邻接安全是指面向邻接空间防御、防护、生产、安全、救援等需求的多元化、跨领域、立体化、协同化、智能化的技术体系。具体应用场景包括低空安全、水下安全、跨域安全等。水下安全是地方安全的核心之一，主要涵盖水下空间国家安全和国防，具体包括潜艇监测、探测、通信、隐蔽、制导等，涵盖工业生产、社会经济、科研教育等防护、生产、安全、救援等方面的工作对国防安全、社会稳定和经济发展具有重要意义。图10近地安全空间类别6.1涉水环境与资源监测（1）海底观测网海底观测系统将观测仪器置于海底，完成仪器的原位探测，发射通过网络获取数据，从而实现全天候、全面、长期连续、实时观测，观测范围包括海底深部、海底界面、海水和海面。潜艇观测系统可以利用涉水光学技术对海洋进行综合开发和研究。理解。图11海底观测网(2)深海相机为了获得真实的海底环境，深海相机系统在水下安全建设中必不可少。深海探测的深度和广度代表了一个国家的科技发展水平和国防实力。深海相机作为一种光学视觉数据采集技术，可广泛安装在载人潜水器、水下机器人、着陆器等深海运载工具上。是资源勘探、深海矿产开发、海洋生态观测和深海生物化学活动观测的重要手段。图12深海相机（a）海瞳，（b）深海全景相机，（c）深海相机在水下8152米处进食的狮子鱼“全海深高清光学成像与图像处理系统”荣获2019年度中国光学工程学会科技进步一等奖。解决了深海高压环境下的高清视觉数据采集问题，突破了全海深干舱密封、水下光学像差校正、色彩还原、水下图像等关键技术增强。该相机适用水深0-11000米，水下视野60°，分辨率1920×1080，水下重量10kg。有关技术指标达到国际先进水平。2017年3月，“海瞳”全海深高清相机随“探索者一号”完成马里亚纳海沟科考任务。在10,000米的深度，最大潜水深度为10,909米。共收集了12小时的高清视频。这是我国深海科学研究史上首次完成全深度高清视频采集，首次记录到8152米水深的狮子鱼，这是当时世界上观测到鱼类的最大深度，为马里亚纳海沟深海、物理海洋等多学科海洋生物研究提供了重要的原始数据。“海瞳二号”全海深度2018年9月，随着“探索者一号”TS09的航行，后续研制的高清摄像机再次用于马里亚纳海沟科考任务。期间共完成10次潜水，其中4次下潜至10000米深度，采集有效高清视频140小时，总数据量233GB。获得了许多珍贵的海洋观测数据，填补了海洋科学研究领域的多项空白。此外，海洋牧场监控、海上油气勘探、涉水管网监控、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。全面掌握我国领海基础数据，是维护国家海洋权益的基础。全天候水上监视是水下监视和安全防御的一种手段。涉水探测和通信技术的发展，有助于我国提高应对复杂情况的能力，提高海洋维权能力。水下激光雷达探测、水下光学隐蔽、激光反潜反水雷、水下光电对抗、激光对潜通信、水下光学制导、涉水安全救援等是主要应用场景。6.3涉水激光产业的水下安全，特别是江河、湖泊、海洋资源的开发利用，离不开各种水下工程的建设，如建设港口、修船、建造油井平台、铺设和维护等管道等一系列涉水工程。随着各国对激光焊接设备的深入研究和开发，用于水下激光焊接的大功率激光器已经普遍出现。此外，为延长工业结构件在海水环境中的使用寿命，降低施工成本，通常采用水下原位修复技术对受损、老化的工业结构件进行修复和维护。水下激光熔覆技术的有效解决方案，热输入可控、效率高、稳定性好、受水压影响小、焊接材料范围广、热输入低、冷却速度快、热影响区小、残余应力低ETC。7结论与展望随着涉水光学学科体系的逐步完善，世界形势将面临巨大转折，海洋已成为各国争夺的战略资源。涉水检测技术的提高将极大释放海洋资源，进一步提高生产力，人类生产生活方式将进入新的发展阶段，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和碳聚集体。随着海洋建设规模的不断扩大和科技水平的不断提高，我国海域的生态容量将不断增加。一方面可以获得大量的生产资料和生活资料。为我国持续稳定发展提供了重要保障。另一方面，碳汇和碳转移的作用越来越强，对我国“碳中和”和“碳达峰”的贡献将越来越明显。随着涉水光学相关技术的不断完善，海洋管理需要物联网、多模态认知计算等相关信息技术的支持。物联网技术为涉水光学数据的采集和传输提供了重要的技术手段。多模态认知计算为涉水光学信息的全面高效智能处理提供有力支撑，实现涉水光学大数据挖掘、高效信息传输和智能信号处理，提高涉水领域相关技术的信息化和智能化水平，并为海洋强国建设提供可靠的技术支持。
