摘要
当前光学和智能的主要研究场景在空气和真空中，而在占自然界很大比例的各类水体中的研究却未成体系。事实上，江河湖海之中，云雾雨雪之时也都是光学和智能的重要赛道，有着极多的应用和潜力。例如，光学成像是智能视觉的数据源头，光与物质的相互作用机理是成像的本质，更是视觉研究的根基。近年来，光学研究在水体中的需求日渐突出，为涉水视觉等很多智能应用带来了新的机遇和挑战。作为“涉水光学”的提出者和践行者，李学龙教授在《中国科学：信息科学》撰写了57页约五万字的长文 “涉水光学”，展示了全新的涉水世界。我们能否透过雨雾、穿越湖海，让光学更智能，让智能更可靠？
涉水光学（Water-related Optics）主要研究光与水的物质相互作用机理及光的跨介质传播机理，解决与涉水光学数据智能获取，信息传输及智能信号处理有关的各种问题，探索光学在涉水领域中应用的科学，也是临地安防（Vicinagearth Security）体系中水下安防和跨域安防的重要支撑。
李学龙. 涉水光学. 中国科学: 信息科学, 2022, doi: 10.1360/SSI-2022-0398.
http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSI-2022-0398
水是生命之源，覆盖了地球表面的71%，是全球生态、资源、社会、经济、安全的重要发展空间。我国拥有300万平方公里主张管辖海域，水域面积接近国土面积的三分之一，大陆海岸线达1.8万公里，壮大海洋经济，加强海洋资源环境保护，维护海洋权益事关国家安全和长远发展。随着科技技术的发展，世界强国基于光学技术的水下装备得到了高速发展，我国领水面临的安全威胁加剧，对国家主权、安全、经济发展构成重大威胁。因此，亟需发展以水下安防为目标的涉水光学技术及装备。
涉水即与水相关，泛指包括海洋、江河湖池、云雨雾雪冰等在内的水体，如图1所示。比水下光学、海洋光学考虑更为充分，涉水光学的研究对象涵盖了作为光传播路径的局部或整体的一切水体，通过探究其在液态、气态、固态的光学特性，及光在水体、跨介质中的传播机理，解决与涉水领域中的光学数据智能获取，信息传输及智能信号处理有关的各种问题，是临地安防（Vicinagearth Security，Vicinage源于古法语/拉丁语的visnage/vicinus('neighbor')）体系中水下安防的重要支撑，对于我国领水的防卫、保护、生产、安全、救援具有重要的意义。“涉水光学”在“水下光学”和“海洋光学”单一场景的基础上，进一步发展到跨域场景，通过测量水体及跨介质中传播光的相位、强度、频率、偏振等物理量，获取水体及跨介质环境中的影像、温度、振动、压力、磁场等参数信息，发展出光学在涉水领域的探测、传感、测量、成像、通信及智能信号处理等技术，助力“推进海洋资源保护与开发，维护和拓展国家海洋权益，畅通陆海连接，增强海上实力，走依海富国、以海强国、人海和谐、合作共赢的发展道路，加快建设中国特色海洋强国”。目前涉水光学发展面临着水体对光高吸收、强散射等瓶颈问题，其发展现状远远落后于实际需求，因此涉水光学领域亟需更多的关注。为了促进我国涉水光学技术交流及产学研用，李学龙领导团队前瞻布局新时代涉水光学领域，适应和服务国家海洋建设。首先提出“水下光学”，于2016年5月10日在西安倡导并举办了全国首届“水下光学”高峰论坛。随后于2018年6月22日在西安连续举办了第二届，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”并发起成立了“中国光学工程学会海洋光学专委会”。至撰稿时为止，论坛已经成功举办了五届，其中第五届论坛（2022年）吸引了超过3万人在线关注及参会，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。在促进产学研用方面，李学龙于2016年分别建立了青岛海洋科学与技术国家实验室（时筹）与本单位的海洋光学联合实验室。同年，提出并牵头筹备创建了我国首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。该实验室于2018年获批成立，李学龙担任首任主任，带领团队完成的全海深高清光学成像及影像处理系统。随着海洋科技研发持续深入，人类对海洋的认知能力和技术装备水平也不断提高，“海洋光学”已经从传统研究海洋光学性质，光在海洋中传播规律和运用光学技术探测海洋的科学，进一步发展为以”海洋命运共同体”为纲领，维护海洋权益为目的，研究深海科学技术与装备为核心，建设深海基地，探测深海空间，开发深海资源的综合科学。面对深海空间广阔、水文特征复杂和信息难以感知等问题，李学龙于2020年在西北工业大学创建了智能交互与应用工信部重点实验室，充分考虑水体与空气等介质之间，光学设备与算法之间的紧密联系，将“海洋光学”进一步发展为“涉水光学”，将研究对象从单一领域拓展至海洋，江河湖池，云雨雾雪冰等多水体领域，以及与水体相关的其它领域，围绕“光与水的物质相互作用机理及光的跨介质传播机理”，“复杂环境的动态目标探测”，“冗余异质下高信容数据解算”等一系列科学问题，领导团队攻克了退化机理难建模，观测装备体系不健全，场景目标数据难解析等难题，完成了系列化国产海洋观测技术的研发和装备研制。2022年创建涉水光学实验室，并领导团队获得“水下智能XX导引”国家级重点项目支持，涉水光学的发展又迈出了坚实的一步。
图2 涉水光学框架
水体的光学特性是光与水的物质相互作用的宏观表现，是研究涉水光学的重要依据。水体固有光学特性是自然水体本身的光学参数，独立于环境光场。常用的水体固有光学参量包括光谱吸收系数、光谱散射系数、光谱衰减系数、体散射函数、后向散射系数、前向散射系数、光束衰减系数等。水体表观光学特性是水体由于光场的作用而表现出的特性，由水中光场的时间，空间分布及水体固有光学性质所决定，可随光场的变化而变化。
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。“一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红”，生动阐述了光入射到水体中会发生散射、折射，并体现了光的色散特性。
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，当光强小于水体中的击穿阈值时，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等非线性过程。当光强大于水体的击穿阈值后，多光子激发、逆轫致吸收及电子碰撞雪崩电离将会使水体击穿，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，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。
信息能够反映出自然界的事物特征和本质，人类可通过获得并识别自然界的不同信息来认识和改造世界。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。
3.1 光学传感技术
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，实现遥感系统全天候实时跨域工作，以高效快速地获取高精度分辨率信息数据为目标，面向多平台、多尺度、多光谱、全天候、高精度和高效快速的融合、复合应用方向发展。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。
由于现场取样并带回实验室研究分析的传统测量技术具有局限性，样品在采集、运输和保存过程中难免会因为温度、压力和光照的改变打破样品本身的动态平衡，以致样品的相关特性发生改变。同时，原始的实验室分析无法完成短暂的突发事件监测或者恶劣环境下的现场记录。因此，原位传感测量技术是解决涉水领域实时信息采集的有效途径。涉水原位传感器是人类感知涉水领域的触角，是参数测量的主要方式，具有检测精度高、稳定性高的优点。目前已经成功研制针对多种涉水参量的光学传感器，包括海洋原位叶绿素传感器、原位浊度传感器和原位有色溶解有机物传感器等。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。(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谱，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。(2) 激光拉曼光谱技术
激光拉曼光谱技术作为一种原位、实时、无损、多物质同时探测的光学传感器技术，具备对涉水环境下目标物的成分定量检测能力，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。水下声学成像分辨率低、采集处理速度慢、无法实时高分辨成像制约了其在水下成像方向的进展。水下光学成像技术可利用视觉成像设备直接获取图像或视频信息，实现对水下目标的采集与分析。(1) 距离选通成像技术
涉水距离选通成像技术的工作原理是通过时间控制去除不包含目标信号的散射光引入的背景噪声，而确保目标反射后的信号光刚好在选通工作时间内到达。(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，分析图像中目标与背景偏振特性的变化趋势，反演目标信息光和背景散射光的强度变化，可以有效抑制后向散射光，实现涉水光学清晰成像。(3) 载波调制成像技术
载波调制成像技术使用一个高频微波副载波信号对激光器发射的光脉冲进行调制，经过水体产生后向散射后，在接收端通过以调制频率为中心频点的带通滤波器对散射光进行滤除，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。(4) 关联成像技术
传统的水下光学成像技术，提升光源强度将带来强散射效应，导致无法同时兼顾成像质量和成像距离。关联成像是一种利用光场的二阶相干性来实现成像的技术，作为一种非局域的成像技术，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。
图5 涉水关联成像示意图
压缩感知理论是一种全新的信号采样理论，如图6所示，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。
图6 压缩感知数学表达
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。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，改善了实际成像物理过程的不可预见性与高维病态逆问题求解的复杂性。(6) 光谱成像技术
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。
涉水光学设备完成信息采集后，需要实现实时的信息传输以及后端处理。整个过程中涉及到了水下无线光通信以及涉水光学影像信息处理两个关键技术。其中，水下无线光通信（Underwater Wireless
Optical Communication，UWOC）是指利用光束作为信息载体，在水下实现图像、视频等大数据量信息实时传输的技术。相比水声通信以及水下电磁波通信而言，UWOC系统具有更小的体积、更轻的重量、更低的设计成本，以及更强的隐蔽性。借助UWOC技术，未来可以构建空天地海一体化的全光通信网络，如图7所示。
目前，UWOC的主要研究方向包括水下信号收发器件设计、水下信道建模、以及水下信道的信号调制解调。此外，UWOC还面临着诸多待解决的问题，无法应用在实际的长距离，强湍流，高速率的无线通信过程中。未来，智能科学赋能的信号调制解调、湍流补偿、稳定跟瞄等技术将会在水下光通信系统中发挥不可或缺的作用。此外，在未来水下光通信也可以和水声通信，水下电磁波通信等方式进行结合，克服现有技术通信距离短，稳定性差等缺点，最终在复杂的水下光传输场景中提高通信链路的有效性以及可靠性。
涉水光学影像是涉水光学信息探测的重要信息载体，包含着大量的信息，如何对光学影像进行智能处理，快速准确地恢复、增强，提取影像中的有效信息，是涉水光学影像信息处理的关注点。涉水光学影像信息处理在涉水微弱暗小目标探测识别、水下安防、涉水生态监测、涉水设备检测、涉水军事侦察等方面具有重要应用价值。5.1 涉水影像复原技术
涉水影像复原从涉水光学成像原理出发，首先建立涉水影像的退化模型，再通过先验信息和前提假设估计出影响影像清晰度的干扰因子，并利用反演退化过程，消除干扰因子影响，从而提高影像清晰度。目前，涉水影像复原的方法主要包括基于先验的方法和基于深度学习的方法。未来如何在不受水下作业场景和外界条件限制的情况下，特别是在面向水下不同的浊度、温度、盐度、深度、流速以及不均匀人工光源等问题，设计出高鲁棒性、强适应性和实时性的水下影像复原方法，从而实现水下影像的准确复原，是重要的研究课题。
图8 涉水影像复原技术
涉水影像增强是一类通过改变影像的像素值来改善视觉质量，提高对比度的非物理模型方法。该类方法往往不考虑涉水影像退化的光信号传播作用物理过程，即忽略水体光学成像参数等先验知识，通过图像处理或者机器学习的方式来提升影像质量.
图9 涉水影像增强技术
涉水影像质量评价是针对于水下影像退化机制的综合影像质量评价标准。由于水下影像可以建模为吸收分量和散射分量的线性叠加，且吸收和散射效应导致颜色，清晰度和对比度退化。目前，水下影像质量评价方法通常计算若干度量角度的加权得分，而其中的权重往往靠经验来确定。因此，水下影像质量评价得分往往与人类的主观感受距离较远，如何从视觉显著性、认知心理学以及信息量度量的角度出发，需构建出更符合人类主观感受的水下影像质量评价方法是未来值得探索的研究方向。5.4 涉水环境认知计算
涉水环境的认知计算为涉水资源开发利用提供了良好的基础，是揭秘涉水生物多样性和勘探水底地形地貌，矿产资源的关键技术之一。对涉水环境的认知程度在涉水安全防卫领域有重要意义，可促进国家在涉水安全防卫中占有主动地位。涉水环境的认知计算可以分为两部分，分别是视觉信息认知计算和多探测模态认知计算。
视觉信息认知计算是指利用视觉信息来探测涉水环境，通过对涉水光学影像的处理实现涉水环境探测信息的认知计算。近些年，各海洋大国逐渐开展了光学与声学等多种手段联合探测的科研工作，例如基于视觉与声纳等手段的多模态认知计算工作。未来，通过机器学习方法，充分分析水下光学与声学多模态信息特性，从数据获取端与数据处理端协同优化多模态探测任务，采用搜集或者生成的方法不断推进水下多模态信息数据集的扩充，构建水下多模态信息决策体系，提升多模态探测信息的融合及协同处理能力，推动水下探测及导航定位等工作的突破。
在国际形势及国家需求的驱使下，临地安防应运而生。临地安防是指面向临地空间内防卫、防护、生产、安全、救援等需求的多元化、跨域化、立体化、协同化、智能化技术体系。具体应用场景包括低空安防，水下安防以及跨域安防等。水下安防是临地安防的核心之一，主要涵盖水下空间内的国家安全与防卫，具体包括海底监测、探测、通信、隐蔽、导引等方面，而且覆盖了工业生产、社会经济、科研教育等方面的防护、生产、安全、救援，对国防安全、社会稳定、经济发展均具有重要意义。
图11 临地安防空间范畴
随着科技的发展，各种潜水装备、水下自主机器人等技术得到了长足的发展。各国海军、情报机构，经济实体甚至国际恐怖组织等派遣蛙人、AUV和微型潜艇等深入港口、码头、舰艇基地和海上钻井平台等重要目标附近进行侦查、破坏、爆炸和布雷作业等活动，“水下国门洞开”，对我国国土和公共安全构成新的威胁。目前我国部分港口及重点水域已经建立起陆上或者空中安全监控设施，但目前安全防范仍然严重不足，但是针对水下目标的预警探测仍显不足。针对我国沿海港口水下安防系统建设的迫切需求，急需以“需求主导，信息支撑，多层防御，网络融合”为指导思想，联合国内在水下探测，通信系统以及防御武器系统方面的优势资源，构建智能化立体水下安防预警系统。形成以海洋环境、水上、水下目标监测为基础，数据传输网络为支撑，信息共享平台为核心，无人系统为前出力量，分布式水下信息网络为“倍增器”的新型智能化防护系统。通过更深入的探测，更全面的互联互通，更透彻的信息共享，全面提升水下安防系统的态势感知，指挥控制和攻防对抗能力，支撑海军对水下作战的防御能力和信息探测能力，保证国家领土安全，同时拓展军民融合领域，维护海外经济利益。(1) 海底观测网
海底观测系统是将观测仪器放到海底，仪器完成原位检测，并将数据通过网络传输，从而实现全天候、综合性、长期连续、实时观测，观测范围包括海底地球深部、海底界面、海水水体以及海面。海底观测系统可以利用涉水光学技术对海洋进行全面的开发和研究，是继地面与海面观测和空中遥感遥测之后，人类在海底建立的第三类地球科学观测平合，将全面加深人类对海洋的认识。因此，海底观测系统将在今后十数年内成为国际海洋探测和研究的主要方式。
图12 海底观测网
为了获得真实的海底环境，在水下安防的建设中，深海相机系统必不可少。深海探测的深度与广度代表了国家的科技发展水平和国防实力。深海相机作为光学视觉数据获取技术，可广泛搭载于载人潜水器、水下机器人、着陆器等深海运载器，有效扩大了探测范围和信息量，避免了深海探索“盲人摸象”的尴尬，是深海资源勘测、深海矿产开发、海洋生态观测，以及深海生物、化学活动观测的必须手段。
图13 深海相机 (a)海瞳,
(b)深海全景相机, (c)深海相机拍摄的水下8152米狮子鱼进食
李学龙团队研制了我国首套全海深高清相机“海瞳”，团队完成的“全海深高清光学成像及影像处理系统”荣获2019年中国光学工程学会科技进步奖一等奖。解决了深海高压环境下高清视觉数据获取的难题，攻破了全海深干舱密封，水下光学像差校正，色彩复原和水下图像增强等关键技术。相机适用水深0至11000米，水下视场角达60°，分辨率1920×1080，水下重量为10kg，相关技术指标达到国际先进水平。2017年3月，“海瞳”全海深高清相机于跟随“探索一号”完成了马里亚纳海沟科考任务，作为主相机曾4次下潜至七千米深度，3次下潜至万米深度，最大潜深达10909米，共采集到长达12小时的高清视频，在我国深海科考史上首次完成全海深的高清视频获取，并首次记录了位于8152米深处的狮子鱼，这是当时国际上观测到鱼类生存的最大深度，为马里亚纳海沟深渊的海洋生物、物理海洋等多学科研究提供了重要的原始数据。随后研制的“海瞳Ⅱ”全海深高清相机，于2018年9月随“探索一号”TS09航次再次进行了马里亚纳海沟科考任务。期间完成了10次下潜，其中4次下潜至万米深度，采集到140小时有效高清视频，数据量共计233GB，获得了诸多珍贵海洋观测资料，填补了多项海洋科研领域空白。(3)海洋牧场监测
海洋牧场是指在一个特定的海域里，为了有计划地培育和管理渔业资源而设置的人工渔场，为沿海密集水域的近海水产养殖提供空间。海洋牧场是获取粮食的有效途径之一，而气候变化是对全球粮食安全的直接和未来威胁。1970年代，我国的曾呈奎院士最早提出通过人工控制种植或养殖海洋生物的理念，以及海洋“牧场”的构想。(4)海洋油气勘探
海洋油气勘探依靠井下光纤监测技术，推进智能监测装备研制，提升监测系统数字化全面感知，自适应和自学习功能，与勘探开采作业需求相融合，对海洋油气勘探，开采装备智能化、数字化具有重要意义，能大幅提高海洋作业效率，降低开采成本，缩短建设周期。该技术未来将从远程数据采集获取，发展到远程驱动与控制，再到工程数字化和智能化，通过全区域部署，实现全域、全储层数据的获取、传输和处理。(5) 涉水管网监测
水下管道网络是水下石油、天然气、市政用水、污水等输送的主要途径，水下管网，尤其是海底管网是海洋石油天然气运输的重要手段，是海上石油天然气输送的生命线，铺设、维护条件极其苛刻，如何保障其安全显得尤为重要。2022年9月26日，瑞典测量站在“北溪-1”和“北溪-2”天然气管道发生泄漏的同一水域探测到两次强烈的水下爆炸，预计高达25万吨甲烷泄露，是有纪录以来最大规模的温室气体外泄事件，欧洲特别是德国千万家庭和企业将面临严酷的寒冬。因此，研究水下管网的检测，监测方法和装备的重要性尤为重要。(6)海洋光伏
海洋光伏是在水库、湖泊、海面等水域环境上建设的光伏电站，是一种新的能源利用和资源开发模式，具有发电量高、不占用土地的特点，尤其是海洋光伏，易于与海洋牧场，海洋油气产业相结合，有利于优化能源消费结构。目前全球有超过35个国家拥有350个漂浮光伏电站，累计装机量达到约2.6GW，并且以20%的增速在快速发展，亚洲地区的需求将占到全球需求的2/3，我国理论可安装海洋光伏装机规模超过70GW，发展潜力巨大，为我国新能源可持续发展开辟了一条新道路，对实现“碳达峰，碳中和”具有十分重要的意义。(1)激光雷达探测
激光雷达探测具有速度快、造价低、可昼夜工作，可对复杂或危险浅海海域进行精确勘测等特点。其原理是利用机载扫描反射镜，向海面照射对海水穿透能力较强的蓝绿激光来测量飞机到海底或潜航器的距离，并依靠飞机的向前飞行和扫描反射镜的横向扫描，完成对某海域的二维多点探测，这些探测数据与由全球卫星定位系统所测得的相关地理位置数据，经计算机记录并重建成二维或三维图像。(2)水下光学隐蔽
水下目标的航空探测及反探测一直以来都是侦察领域研究的关键技术，通常是参照海水的透明度盘深度来估计水下目标光学隐蔽深度。建立水下目标光学隐蔽深度的概念，利用水色卫星资料进行水下目标光隐蔽环境及隐蔽机制的研究，对提高航空探测及保证水下目标隐蔽性意义重大。(3) 激光反潜反雷
随着冷战结束，海军战略任务发生转变，从原来深海对抗转变为在潜在冲突水域的局部对抗。为解决反水雷探测难题，研究水下目标探测技术的重要性就被凸显出来。瑞典和加拿大联合研制的“鹰眼”机载激光探潜系统，俄罗斯的“紫石英”系统，美国AN/AES-1机载激光水雷探测系统等装备，具有受海情影响因素小、有效工作时间长、反应速度快、机动性强、探测效率高、系统兼容性强等优势，与全球卫星定位系统和机载快速扫雷系统等一系列制式装备结合，可实现对水下目标更为精确和快速探测。(4) 水下光电对抗
上世纪90年代以来，美、英、法、德、俄等国相继研究成功潜艇光电桅杆，并陆续装备本国潜艇。这些光电桅杆都配备了激光测距仪，为潜艇执行攻击侦察等任务提供高精度的距离信息。通过激光高分辨率探测告警技术及测向交叉定位技术，在潜艇对目标发射激光测距信号的同时，实时进行截获、测向、定位并快速引导反潜对抗，与声纳、雷达等传统反潜手段相比较，该方法具有手段隐蔽、反应迅速、测向定位精度高等特点，是光电对抗的重要应用扩展。(5)激光对潜通信
潜艇在执行任务的过程中，需要与外界取得联系，但是目前对潜通信仍然是一个全球性难题，因为既要保障潜艇本身的隐蔽性，还需确保通信内容不被干扰和截获。激光对潜通信是一种高速、安全的通信方式，具有抗截获、抗干扰、不受电磁以及核辐射的影响的优势，并且能够组建陆基、空基、天基对潜的高速通信系统。突破激光对潜通信的相关核心技术，对于科学研究和国防安全均具有重大意义。(6) 水下光学导引
随着自主式水下航行技术的不断发展，水下无人航行器在航行过程中具有完全自治能力，在完成任务后能够自主搜索坞站，并根据坞站位置进行路径规划，完成与水面或水下自主回收。主要包括光学、声学、电磁导引三种技术。其中，光学导引技术在水中精度高，隐蔽性好，是近距离对接阶段作为导引技术的最佳选择。国外以美国伍兹霍尔研究所为代表的研究单位较早开展了相关的工作，但是目前水下光学导引仍然容易受环境变化，水对光的线性和非线性作用，水质等因素影响，在提高导引距离、精度，数据传输和处理速度等方面仍亟需深入研究。(7) 涉水安全救援
随着社会经济的高速发展，人类涉水活动与日俱增，愈发频繁地出现涉水事故和涉水灾害，比如在城市湖泊、水池中发生的人员溺水事故，在江河堤坝、水库发生垮坝灾难，在山区沟壑发生泥石流、洪涝灾害等，目前的涉水救援主要靠消防官兵依靠人力实施救援，然而在水域环境复杂、水流湍急、大深度、短视距等情况下，尤其是超过30米的水下救援，已经超出救援人员体力极限。因此，发展基于智能化的无人自主涉水安全及救援技术及装备已迫在眉睫，例如基于机载光学传感设备或视觉设备，智能应急水下救援机器人等。同时，可将先进的智能控多感知融合技术，水下无线通信技术等应用于水下救援，使应急救援实现智能控制，精确环境感知，提高对突发情况下的自主学习与自适应等能力，实现应急救援装备的高质量发展。6.3 涉水激光工业
水下安防中，尤其是江河、湖泊、海洋资源的开发和利用离不开各种水中工程的搭建，例如建设港口码头、维修舰船、搭建油井平台、铺设和维护管道等一系列的涉水工程。随着大量涉水工程结构的建设和修理，以及船舶干坞修复的昂贵花费等，水下焊接技术迫切需求。但是随着水深超过200米，潜水员进行相应的水下焊接作业将会变得非常困难，这对水下焊接质量也会产生一定的影响。随着各国对激光焊接设备研究与开发的深入，应用于水下激光焊接的大功率激光器已经普遍出现。另外，为延长海水环境中工业结构部件的使用寿命，降低建造成本，通常使用水下原位修复技术对受损和老化的工业结构部件进行修复和维护。水下激光熔覆技术有效解决办法，具有热输入可控、效率高、稳定性好、受水压影响小、焊接材料广泛、热输入量低、冷却速度快、热影响区小、残余应力低等优点。
依海而兴，向海图强。扬波大海，走向深蓝。以水下安防为核心，海洋科学，海洋工程为基础，涵盖防卫，防护，生产，安全，救援等一系列应用或任务的技术研发与落地，将最大化挖掘水下安防技术体系的军事效益、经济效益和社会效益，成为以多元化、跨域化、立体化、协同化、智能化的临地安防技术体系核心之一，是中国推进全球治理，“21世纪海上丝绸之路”建设，大国关系，周边外交和对发展中国家外交等的重要抓手。“但愿海波平”，“鱼戏莲叶间”，适应国际竞争新格局，国家安全新需求以及国民经济新动能的新时代国家科技发展，为实现海洋强国和中华民族伟大复兴贡献力量。随着涉水光学学科体系的逐步完善，世界局势将面临巨大转折，海洋已然成为各国争夺的资源。涉水探测技术手段的提升将极大地释放海洋资源，生产力得到进一步提升，人类生产生活方式将步入新的发展阶段，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体和碳聚体，随着海洋建设规模不断扩大和技术水平不断提高，我国海域的生态容量将不断提升，一方面可以获取大量的生产资料和生活资料，对我国持续稳定发展提供重要保障。另一方面碳汇及移碳作用越来越强，对我国的“碳中和”以及“碳达峰”的贡献将会越来越明显。随着涉水光学相关技术的不断提高，经略海洋需要物联网，多模态认知计算等相关信息技术支撑，物联网技术为涉水光学数据获取和传输提供了重要技术手段，多模态认知计算为涉水光学信息的综合高效智能处理提供了有力支撑，实现涉水光学大数据的挖掘，高效信息传输及智能信号处理，完善涉水领域相关技术的信息化和智能化，为海洋强国建设提供可靠技术保障。
李学龙
西北工业大学学术委员会副主任、光电与智能研究院（iOPEN）教授. 主要研究方向为临地安防体系中的人才培养、科学、技术和工程问题.