水下光學

水下光學是未來光學研究的重要領域之一。地球表面71%的面積被水覆蓋，水下藴藏着極其豐富的資源，同時海洋是國防戰略安全的重要領域。水下光學是水中目標測量與識別的重要手段之一。水下光學主要研究光在水中的傳輸特性、規律及其與水中客體的相互作用，從而研發水中目標的探測、識別與水下通訊。其具體內容包括光在水中的散射、吸收以及由此引起的衰減，水面光輻射、反射、折射和傳輸，水下光學測量、攝影、通信、照明、水中發光生物的光學特性、光能利用、光學遙感，以及光學與聲學的協同等。 ^[1-2]  詳見涉水光學範疇圖。

李學龍教授首先提出“水下光學”，倡導並舉辦的中國水下光學領域的學術盛會—— “水下光學”高峯論壇2016年5月10號在西安舉行。論壇旨在明確中國水下光學領域的發展態勢與國家戰略需求，多位院士及各部門專家共同探討了中國水下光學的應用需求和未來發展，以期促進水下光學基礎理論研究、關鍵技術攻關及實用裝備的研發與產業化良性循環。

該論壇由中國科學院西安光學精密機械研究所發起。瞬態光學和光電子學專家侯洵院士、水聲工程與信息處理技術專家馬遠良院士、海洋水色遙感科學和遙感模擬仿真科學的奠基人之一潘德爐院士、控制理論與控制工程專家吳宏鑫院士等水下光學及中科院、工信部、教育部、中國船舶重工等系統的眾多專家與會。 ^[3] 

2016年，李學龍提出並牽頭籌備創建了我國首個省部級涉水光學重點實驗室——陝西省海洋光學重點實驗室。該實驗室於2018年獲批成立，李學龍擔任首任主任 。隨後，於2018年06月22日在西安連續舉辦了第二屆, 將“水下光學”發展為“海洋光學”，論壇正式更名為“全國海洋光學高峯論壇”，併發起成立了“中國光學工程學會海洋光學專委會”。論壇已連續舉辦多屆，其中第五屆論壇（2022年）吸引了超過3萬人在線關注及參會。全國海洋光學高峯論壇已經成為我國最重要、最受關注的光學會議之一。

隨着海洋科技研發持續深入，人類對海洋的認知能力和技術裝備水平也不斷提高，“海洋光學”已經從傳統研究海洋光學性質、光在海洋中傳播規律和運用光學技術探測海洋的科學，進一步發展為以“海洋命運共同體”為綱領，維護海洋權益為目的，研究深海科學技術與裝備為核心，建設深海基地、探測深海空間、開發深海資源的綜合科學 。面對深海空間廣闊、水文特徵複雜和信息難以感知等問題, 李學龍教授於2020年在西北工業大學創建了智能交互與應用工信部重點實驗室，充分考慮水體與空氣等介質之間、光學設備與算法之間的緊密聯繫，將“海洋光學”進一步發展為“涉水光學”，把研究對象從單一領域拓展至海洋、江河湖池、雲雨霧雪冰等多水體領域，以及與水體相關的其它領域。2022年創建涉水光學實驗室, 並領導團隊獲得“水下智能 XX 導引”國家級重點項目支持。

水下光學探測是利用光學方法探測海洋、河流、湖泊等水中目標，它可以彌補水下聲學探測的某些不足。水下光學探測的方式可以分為接觸式與非接觸式，接觸式是主要的有效技術手段，隨着對光在水中的傳輸特性研究的深入，非接觸式探測的優勢將會逐漸顯現出來。

水下光譜分析技術在實時在線監測方面具有明顯的優勢。水下光譜探測主要利用每種物質特有的吸收光譜、發射光譜、散射光譜和反射率光譜來分析物質的組分和含量。水下光譜探測技術可以廣泛用於工業廢水和生活污水的污染監測，江河水中生態監測等領域。

融合光譜探測和成像觀測的水下高光譜遙感技術 ^[4]  ，可以拍攝水下目標不同波段的空間圖像，從而極大地提高目標探測和識別的可靠性。

2017年3月23日，由中國科學院三亞深海所組織的2017年馬裏亞納海溝深海裝備海試及科考航次順利返航。本航次搭載船舶為探索一號科考船，以“精打七千，實做萬米”為指導思想，全面實施從七千米級到全海深自主研發深海裝備的海試驗證。本次海試中，中國科學院西安光機所自研設備經受住了極端環境的考驗，順利完成了科考任務。

西安光機所自20世紀80年代開始水下光學技術研究，涉及水下遠距離成像、水下光譜探測、水下多參數傳感、水下激光通信等多個領域。此次海試任務中，西安光機所海洋觀測與探測聯合實驗室（與青島海洋國家實驗室共建）自主研製的全海深高清相機搭載在“天涯”號着陸器上，先後4次下潛至7000米深度、3次下潛至萬米深度，最大潛深達10911米；國際上首次拍攝到位於8152米深處的獅子魚；實際採集到長達20小時全海深高清視頻影像資料為馬裏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。

西安光機所海洋觀測與探測聯合實驗室自主研製的全海深高清相機是首台，也是僅有的一台由我國自主研製的全海深高清相機。本航次海試過程中，該相機圓滿完成了科考任務，在深海色差校正、全海深耐壓窗口技術、水下圖像增強、深海圖像色彩復原等多項技術上取得了突破性進展。中國科學院三亞深海所所長丁抗説：“我們這個航次視頻採集的主要任務都是由這台全海深相機完成的，這是水下視頻拍攝史的一次突破，也是水下科考史的一次突破。” 中國科學院副院長丁仲禮表示：“西安光機所在很短時間內順利完成了設備研製工作，為深海科考做出了重要貢獻，值得稱讚！”

本次海試於1月16日出航、3月23日返航，歷時68天，共有三亞深海所、瀋陽自動化所、西安光機所、中船重工702所等20家單位參與本次科考。本次海試的順利完成，標誌着我國深淵探索研究的多項技術達到了國際先進水平。 ^[5]