涉水光学：光学与智能交叉融合

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