海洋生物水下原位监测技术及其在偏振维度的信息拓展.pdf
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1、海洋生物水下原位监测技术及其在偏振维度的信息拓展柯剑寒1,岳钧百1,程雪岷1*,毕洪生2(1.清华大学深圳国际研究生院,广东深圳,518055;2.马里兰大学环境中心,美国马里兰州,20688)摘要:监测监管海洋环境并合理开发利用海洋自然资源需要先进的观测手段。海洋光学技术作为一种具有高时空分辨、高通量数据采集能力的成熟化信息感知方式,在海洋科学研究中具有重要的作用。面向偏振光学的研究扩充了传统光学成像及测量技术的信息模态,目前已在海洋观测及其以生态学为代表主题的衍生领域展开了大量的研究应用。文中基于海洋环境观测和海洋生物观测 2 个方面重点回顾了偏振光学技术在其中的研究进展,一方面,偏振光学
2、辅助了复杂物理过程和环境理化性质的深入解析;另一方面,偏振光学在生物观测领域实现了成像维度拓展、特异性目标检测和生物理化特性感知等增量功能。同时对偏振光学成像及测量方法的模型进行了系统介绍,并结合研究团队在水下原位生物监测领域开展的系列工作,展望了引入偏振光学实现新一代实时在线监测系统的应用前景。关键词:海洋光学技术;海洋环境观测;海洋生物观测;偏振光学中图分类号:U674.7;TJ630.34文献标识码:A文章编号:2096-3920(2023)04-0614-10DOI:10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0067UnderwaterIn-SituMonitori
3、ngTechnologyforMarineOrganismsandItsInformationExpansioninPolarizationDimensionnKEJianhan1,YUEJunbai1,CHENGXuemin1*,BIHongsheng2(1.Shenzhen International Graduate School,Tsinghua University,Shenzhen 518055,China;2.Center for EnvironmentalScience,UniversityofMaryland,Maryland20688,U.S.A)Abstract:Moni
4、toring and regulating the marine environment and reasonably developing and utilizing marine naturalresourcesrequireadvancedobservationmethods.Marineopticaltechnology,asamatureinformationperceptionmethodwithhighspatio-temporalresolutionandhigh-throughputdatacollectioncapabilities,playsanimportantrole
5、inmarinescientificresearch.The research on polarization optics has expanded the information modality of traditional optical imaging andmeasurementtechnologies,andalargenumberofresearchandapplicationsinoceanobservationanditsderivativefieldsrepresentedbyecologyhaveemerged.Thispaperreviewedtheresearchp
6、rogressofpolarizationopticstechnologyinthefieldofmarineenvironmentalobservationandmarinebiologicalobservation.Ontheonehand,polarizationopticsassistsinthein-depthanalysisofcomplexphysicalprocessesandenvironmentalphysicochemicalproperties.Ontheotherhand,polarizationopticsachievesincrementalfunctionsin
7、thefieldofbiologicalobservation,suchasexpandingimagingdimensions,detectingspecifictargets,andrecognizingbiophysicalandchemicalcharacteristics.Thispaperalsosystematicallyintroducedthemodelsofpolarizationopticalimagingandmeasurementschemes.Inaddition,combinedwithaseriesofworkscarriedoutbytheresearch t
8、eam in the field of underwater in-situ biological monitoring,the paper discussed the prospects of introducing收稿日期:2023-05-25;修回日期:2023-06-30.基金项目:国家重点研发计划项目资助(2017YFC1403600).作者简介:柯剑寒(2000-),男,在读硕士,主要研究方向为光学系统研究与设计.*通信作者简介:程雪岷(1976-),女,博士,副研究员,主要研究方向为光学系统设计.第31卷第4期水下无人系统学报Vol.31 No.42023年8月JOURNALOF
9、UNMANNEDUNDERSEASYSTEMSAug.2023引用格式 柯剑寒,岳钧百,程雪岷,等.海洋生物水下原位监测技术及其在偏振维度的信息拓展 J.水下无人系统学报,2023,31(4):614-623.614JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-polarizationopticstoachieveanewgenerationofreal-timeon-sitemonitoringsystems.Keywords:marineopticaltechnology;marineenvironmentalobservation;marine
10、biologicalobservation;polarizationoptics0引言光学技术是海洋科学研究的重要手段,以光学测量和光学成像为核心的光学观测被广泛应用在海洋理化性质、生态系统和地理资源的感知、分析及利用中1-2。进入 21 世纪,光学技术日趋成熟,伴随着世界各国致力于强化针对海洋环境的科研力度、管理模式和发展战略,海洋光学技术也取得了长足发展,并遍布于海洋观测系统的所有平台,包括以遥感卫星3-5和航拍飞机6-7为主的天基平台、以科考船8和浮标9-10为主的海基平台、以水下无人系统11-12和水下传感器网络13-14为主的水下平台,在气象分析15、资源勘测16及生态研究17-18
11、等领域发挥了重要作用。具有高时空分辨率的光学成像方法能够提高海洋监测管理的实时性和准确性。程雪岷团队研发的 PlanktonScope 浮游生物原位成像仪,围绕浮游生物种类多、尺寸跨度大、近岸水域浊度高等特点,对照明端、成像端和传感器模块进行了全面系统优化,能够在近岸高浊度的复杂环境中针对浮游生物进行跨尺度的高质量成像和有效监测;结合自主研发的基于神经网络算法的浮游生物智能识别系统,可以对多种浮游生物进行高准确率识别(如图 1 所示)。该成像仪实现了从原位的光学图像信息到生物信息的近实时提取,扩充了国内的海洋浮游生物观测手段。通过 PlanktonScope“革命性”的原位观测能力,浮游生物的
12、迁移机制、爆发规律能够被详细地研究,生物灾害能够被准确地预测,从而带来海洋资源监管能力的高度提升,这也彰显了将光学方法用于海洋领域的巨大应用前景。目前,已有不少基于 PlanktonScope获取的光学图像信息进行的海洋生态研究19-22。偏振光学技术是利用光的偏振态属性对目标特定的光学调制特征进行反演或增强的手段。光作为电磁波,具有横波的一切性质,当光的振动矢量末端随时间呈规律性变化时,光为偏振光,并具备特定场景测量和成像过程的建模能力。偏振测量与成像技术主要有两方面的优势:一是偏振具有在散射介质和杂散光环境中较强的特性保持能力,有助于提升成像过程的抗干扰程度23;二是图像可提取成像目标特定
13、的、与偏振相关的属性,可进一步推断目标的结构特征和理化性质24。以偏振在生物组织成像领域的应用为例,一方面,生物组织浸没于强散射介质,导致目标辐射光进入相机时,光的偏振特性发生退化(退偏)。因此,可设计偏振态的“门控机制”以区分未散射光与多重散射光,从而提升图像质量25-26。另一方面,生物组织的偏振调制特性包含有丰富的形态结构和生理功能信息,通过测量其辐射光的偏振参数可对组织区域实施定性或定量的分析和诊断27-28。除生命科学领域,偏振光学技术在去雾成像29-30、工业检测31和立体显示32等场景都有成熟的应用。而在海洋光学领域,偏振同样具有广泛的应用价值:偏振光学技术能够在一定程度上提升水
14、下和大气散射成像的图像质量33,部分生物捕食者甚至进化出偏振视觉34;海洋场景中感兴趣的舰船尾迹、溢油和鱼群等目标均可实施偏振信息的获取以分析相应特性35-36。文中将对海洋生物水下原位监测技术中涉及偏振测量与成像的工作进行回顾。结合偏振技术引入的动机、模型、方法和目标,具体从海洋环境观测和海洋生物观测两方面展开,阐述各工作在技术水平提升和科学问题解决等方面做出的贡献,同时对相关方向存在的问题和技术未来的发展趋势进行了展望。1偏振测量与成像模型光的偏振可建模为光的振动矢量在垂直于其图1PlanktonScope 拍摄的尖笔帽螺图像Fig.1Imagesofcreseisaciculacaptu
15、redbyPlanktonScope2023年8月柯剑寒,等:海洋生物水下原位监测技术及其在偏振维度的信息拓展第4期水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-615传播方向的平面上两正交分量的合成37,即E=|Ex|eix?Ey?eiy(1)=xyEx=Ey/2振动分量具有特定的振幅比例和相位差值,可建模为常规的椭圆方程,在此情况下,偏振矢量的轨迹为椭圆,偏振光为椭圆偏振光。当振幅和相位差取特定值时,椭圆偏振光变为特殊的线偏振光(为 的整数倍)或圆偏振光(,且 为的奇数倍)。同时,相位差是具有正负取向的,并以此区分左旋光和右旋光。此外,自然界中的大部分光不具有偏振效应,其振动矢量末端的运动轨迹
16、是无规律的。因此,可根据光的偏振分量所占比例,定义完全无偏振分量的自然光、部分偏振光和完全偏振光,并使用偏振度参数进行量化。G成像介质和成像目标的偏振特性研究就是通过调制光的上述偏振参数来展开的,这也是偏振测量和成像的数学基础。常用的数学模型包含琼斯(Jones)分析模型38和穆勒(Mueller)分析模型39。在琼斯模型中,被调制的偏振光建模为式(1)中的二维列向量,使用复数直接表示两正交方向振动矢量的振幅和相位值,并采用 22 的琼斯矩阵表示偏振向量的调制过程,同时输出新的偏振状态Eo=EoxEoy=GEi=g11g12g21g22EixEiy(2)琼斯分析模型具有简洁明了的表达形式,并且
17、可对相干光的叠加实现灵活处理,但其只能表征完全偏振光的传播和调制过程,未考虑普遍存在的退偏效应。进一步地,穆勒分析模型对偏振过程进行了更全面的建模。在此情况下,光被建模为如式(3)所示的四维斯托克斯(Stokes)矢量S=IQUV=Ex2+Ey2Ex2Ey22|Ex|?Ey?cos2|Ex|?Ey?sin(3)式中:I 为总光强;Q 为 0和 90方向偏振分量的强度差值;U 为 45和 135方向偏振分量的强度差值;V 为左旋和右旋偏振分量的强度差值。SNSP在该矢量中,非偏振分量和偏振分量可由 I 和其他元素的计算关系表示S=IQ2+U2+V2000+Q2+U2+V2QUV=SN+SP(4)
18、因此,斯托克斯矢量对光的偏振属性具有更泛化的表征能力,对单色光和非单色光、偏振光和部分偏振光都可进行表述。M类似的,44 的穆勒矩阵可用于偏振调制的表征,即So=IoQoUoVo=MSi=m11m12m13m14m21m22m23m24m31m32m33m34m41m42m43m44IiQiUiVi(5)SiSo式中,和分别为输入和输出的斯托克斯矢量。穆勒矩阵包含了介质和目标极为全面的偏振属性,而其 16 个阵元却并不能直接反映明显的物理意义和结构特性。因此,研究者们根据不同问题的需求设计了穆勒矩阵特定的计算表达方式40-41,以提升模型物理含义的显著程度。MMDMRM式(6)为穆勒矩阵极化分
19、解方法的简易形式42,其将偏振调制效应的总矩阵分解为 3 个子矩阵,和的矩阵乘积,分别代表偏振调制的二向色性、相位延迟和退偏过程。M=MDMRM(6)在矩阵运算过程中,乘法的先后顺序具有不可交换性,因此针对不同分解顺序的研究也被提出,以适用于各向异性透明介质等更为广泛的场景43。除乘法分解外,何宏辉等44提出一套针对穆勒矩阵的变换方法,针对介质颗粒设计球柱散射模型,使用穆勒阵元拟合参数反演光学介质的散射粒径和各项异性等特征。ExEy偏振测量和成像系统可简化为如图 2 所示的起偏器和检偏器的级联组合。起偏器和检偏器关键的偏振计算器件为偏振片和波片。偏振片对某特定方向的偏振分量具有选通作用,最终结
20、果是改变偏振分量在两正交方向上分布和的相对大小。波片对正交方向的振动具有不同的折射效应,由此导致两方向不用程度的相位延迟,最终结果是改变两正交偏振分量的相位差值。偏振测2023年8月水下无人系统学报第31卷616JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-量通过不同起偏和检偏方式的组合计算样品的琼斯或穆勒矩阵,从而记录样品的理化属性和结构特征。同样适用于偏振成像,起偏部分可视为照明光路,检偏部分可视为成像光路,偏振门控45、偏振差分46、偏振三维47和偏振目标检测48等常见的偏振成像方法都可表示为该基础框架的衍生。光源起偏部分偏振测量偏振成像成像目
21、标偏振器件组合以起偏圆偏振光为例1/4 波片45线偏振片检偏部分成像图2偏振测量和成像系统基本框图Fig.2Illustrationofpolarizationmeasurementandimaging2面向海洋环境的偏振观测偏振测量和成像可以在很大程度上反演光在通过介质或经目标后被调制的物理过程,这适用于在海洋环境实现对围绕水体为核心的理化性质和动态事件进行的探测,实现面向地理特征、生态环境和人类活动的科学监测任务。在宏观层面,研究者们通过偏振光学技术建立海洋偏振光场,对水体的物理信息展开研究。Zappa等49提出一种基于偏振斜率传感的被动光学遥感技术,利用成像表面法方向与反射光偏振态的关系
22、反演当前视场的瞬时二维斜率,以斜坡图的形式恢复水面的形状信息,同时,通过流体短引力波恢复实验验证了方法的可行性。Tonizzo 等50使用高光谱相机结合多角度偏振测量仪对沿海水域的偏振光场进行测量,将实验数据与蒙特卡洛方法仿真得到的结果进行对比,验证了数值的一致性,这说明了偏振在以沿海水域为代表的复杂光场环境的应用潜力。You 等51研发了一套用于仿真动态海洋表面下偏振光场的数值模型,该模型结合三维蒙特卡洛方法和矩阵算子法,能够有效地仿真动态海空界面,将水的光学性质、波倾角和偏振光场紧密连接起来。Foster 等52论述了将偏振态作为额外遥感信息模态的必要性,并提出基于海面观测来确定水下偏振光
23、场的思想,采用矢量辐射传输结合蒙特卡罗分析的方法来确定风驱动海洋表面的偏振光传输函数,丰富了洋面气象观测的技术手段和原始数据。针对海洋环境感兴趣的目标或事件,偏振观测方法不但提高了监测的效率和精度,更可精细化地协调人类活动和海洋环境的交互关系。Li 等53使用混合极化架构的合成孔径雷达对洋面溢油进行了探测,通过斯托克斯矢量的第二项精准地实现了目标信息的增强。Guan 等54通过对东海和黄海海域白天、夜间和黄昏等多时间段天空光偏振分布的测量数据,证明了船舶和无人机系统利用海面天光的偏振信息进行导航的可行性。Xue 等55研究了海洋航行舰船的尾迹对洋面反射光偏振态的改变效应,并通过偏振成像的方式增
24、强了目标尾迹的对比度,说明了偏振成像在军事敏感目标探测上的应用潜力。在相对微观的环境监测场景中,偏振信息同样作为研究中重要的光学指标被关注。对介质散射光的测量被广泛用作获取海水属性和内容微粒性质的重要手段,Beardsley 等56首次关注了散射测量中的偏振问题,在美国波士顿港、新英格兰沿海、北大西洋及查尔斯河等 4 个水域对海水的穆勒矩阵进行了测量,结果显示所述水域样本的穆勒矩阵具有归一化瑞利近似矩阵的一般性形式和强对称性。Kadyshevich 等57用相同的方法对黑海、太平洋和大西洋等海域进行了现场测量,研究了穆勒矩阵阵元与取样海水位置深度的关系。后续,Voss 等58在海水的穆勒矩阵测
25、量中总结出阵元分布的一般形式,提出在误差范围内尽量简洁的海洋偏振特性表达方式。同样,海洋水体中光的偏振传递也作为重要的研究对象,例如 Shashar等59对线偏光的传输进行了研究,充分研究了前向散射、后向散射和生物目标对偏振态的影响。3面向海洋生物的偏振观测面向海洋生态系统的研究有助于把握科学且可持续的海洋环境管理模式,而相比水体、波浪和颗粒物等自然因素,海洋生物所具备的理化信息和结构特征更为明显也更为复杂。3.1成像维度拓展偏振光学具有良好兼容性,即可与传统的光学成像方法进行结合,并在原有光路中加入偏振调制和检测的功能模块以进行综合高效的观测任务,2023年8月柯剑寒,等:海洋生物水下原位监
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