水下光学

专业学科

水下光学是水中目标测量与识别的科学。主要研究光在水中的传输特性、规律及以及水中客体的相互作用，研发水中目标的探测、识别与通讯的仪器和方法。研究方向包括光在水中的散射、吸收以及由此引起的衰减；水面光辐射、反射、折射和传输；水下光学测量、摄影、通信、照明和水中发光生物的光学特性等。水下光学是海洋光学和涉水光学的前身，往往需要用到水下成像的相关方法。

概念

水下光学是未来光学研究的重要领域之一。地球表面71%的面积被水覆盖，水下蕴藏着极其丰富的资源，同时海洋是国防战略安全的重要领域。水下光学是水中目标测量与识别的重要手段之一。水下光学主要研究光在水中的传输特性、规律及其与水中客体的相互作用，从而研发水中目标的探测、识别与水下通讯。其具体内容包括光在水中的散射、吸收以及由此引起的衰减，水面光辐射、反射、折射和传输，水下光学测量、摄影、通信、照明、水中发光生物的光学特性、光能利用、光学遥感，以及光学与声学的协同等。详见涉水光学范畴图。

研究前沿

李学龙教授首先提出“水下光学”，倡导并举办的中国水下光学领域的学术盛会—— “水下光学”高峰论坛2016年5月10号在西安举行。论坛旨在明确中国水下光学领域的发展态势与国家战略需求，多位院士及各部门专家共同探讨了中国水下光学的应用需求和未来发展，以期促进水下光学基础理论研究、关键技术攻关及实用装备的研发与产业化良性循环。

该论坛由中国科学院西安光学精密机械研究所发起。瞬态光学和光电子学专家侯洵院士、水声工程与信息处理技术专家马远良院士、海洋水色遥感科学和遥感模拟仿真科学的奠基人之一潘德炉院士、控制理论与控制工程专家吴宏鑫院士等水下光学及中科院、工信部、教育部、中国船舶重工等系统的众多专家与会。

2016年，李学龙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。随后，于2018年06月22日在西安连续举办了第二届, 将“水下光学”发展为“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”。论坛已连续举办多届，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。

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, 李学龙教授于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”，把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。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。

研究方向

水下光学探测

水下光学探测是利用光学方法探测海洋、河流、湖泊等水中目标，它可以弥补水下声学探测的某些不足。水下光学探测的方式可以分为接触式与非接触式，接触式是主要的有效技术手段，随着对光在水中的传输特性研究的深入，非接触式探测的优势将会逐渐显现出来。

水下光谱探测

水下光谱分析技术在实时在线监测方面具有明显的优势。水下光谱探测主要利用每种物质特有的吸收光谱、发射光谱、散射光谱和反射率光谱来分析物质的组分和含量。水下光谱探测技术可以广泛用于工业废水和生活污水的污染监测，江河水中生态监测等领域。

水下光谱成像技术

融合光谱探测和成像观测的水下高光谱遥感技术，可以拍摄水下目标不同波段的空间图像，从而极大地提高目标探测和识别的可靠性。

应用

2017年3月23日，由中国科学院三亚深海所组织的2017年马里亚纳海沟深海装备海试及科考航次顺利返航。本航次搭载船舶为探索一号科考船，以“精打七千，实做万米”为指导思想，全面实施从七千米级到全海深自主研发深海装备的海试验证。本次海试中，中国科学院西安光机所自研设备经受住了极端环境的考验，顺利完成了科考任务。

西安光机所自20世纪80年代开始水下光学技术研究，涉及水下远距离成像、水下光谱探测、水下多参数传感、水下激光通信等多个领域。此次海试任务中，西安光机所海洋观测与探测联合实验室（与青岛海洋国家实验室共建）自主研制的全海深高清相机搭载在“天涯”号着陆器上，先后4次下潜至7000米深度、3次下潜至万米深度，最大潜深达10911米；国际上首次拍摄到位于8152米深处的狮子鱼；实际采集到长达20小时全海深高清视频影像资料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。

西安光机所海洋观测与探测联合实验室自主研制的全海深高清相机是首台，也是仅有的一台由我国自主研制的全海深高清相机。本航次海试过程中，该相机圆满完成了科考任务，在深海色差校正、全海深耐压窗口技术、水下图像增强、深海图像色彩复原等多项技术上取得了突破性进展。中国科学院三亚深海所所长丁抗说：“我们这个航次视频采集的主要任务都是由这台全海深相机完成的，这是水下视频拍摄史的一次突破，也是水下科考史的一次突破。” 中国科学院副院长丁仲礼表示：“西安光机所在很短时间内顺利完成了设备研制工作，为深海科考做出了重要贡献，值得称赞！”

本次海试于1月16日出航、3月23日返航，历时68天，共有三亚深海所、沈阳自动化所、西安光机所、中船重工702所等20家单位参与本次科考。本次海试的顺利完成，标志着我国深渊探索研究的多项技术达到了国际先进水平。

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