上善若水，水善利万物而不争。——老子

 引文

“八嘎，你提高激光器的功率啊，再深再远我们都能看清楚！”日落帝国司令官坂田纯一郎把泡着枸杞的水杯重重地摔在地上，不过瘾地补充道，“一群废物！”

小泉大佐不敢怠慢，两腿并立，身体挺直，敬礼道：“报告司令！昨日我们已经实验过1 GW功率的激光，比之前的功率提升了10倍，但还是看不清，也看不远……”

坂田瞪着豆粒大的眼睛，盯着小泉，气呼呼地手一扬，一个大耳刮子就扇了上去，喊道：“我们堂堂日落帝国，花了那么多科研经费，你们就造了个这日八歘（注：疑似陕西话，意为胡乱捣鼓出来）的东西！就在前些日子，我们缴获了一条对岸的东方红海底探宝船，船上竟然安装了千米水下成像的相机，遥遥领先！可惜，缴到了我们手里时，它竟然启动了自毁程序，销毁了。我得好好查查你们这些狗东西，奖报了不少，可是什么鸟用不顶，你说说，你贪污了多少经费？我现在就让军务部查一查你。”

小泉大佐冤枉地嘀咕道：“坂田君，我们的激光器一开，周边的水哗地一下就烧开了，鱼汤都熬好了，是真的看不到啊！我猜，海洋应该有密码……”

“啪！”又一记响亮的耳光降落到大佐冤屈的脸上，坂田君还狠狠地丢了一句：“娘希匹，还给老子搞玄学！”

是小泉大佐错了还是“老子”错了？

一、老子的海洋密码

有人说：海洋像人心一样，永远都看不透。人心看不透是因为阴暗，那么海洋呢？难道海洋真的有传说中的密码？

海洋，占据了地球70.8%的面积，以至于我们生活的地球被称之为蓝色星球。海洋下面有火山、有盆地，有丘陵、有山峰，有沟壑、有洞穴，更有沉船、飞机残骸、各种垃圾，还有丰富的海洋生物。据说，海洋生物的种类远超陆地。可是，人类对海洋却知之甚少，即使人类能把传感器发射到遥远的火星，面对咫尺的海洋却只能望洋兴叹，原因就是人类在水中高度近视，近乎瞎子。“瞎子”的耳朵好使，就用声音探索海洋，可是，在“百闻不如一见”面前，“瞎子”还是想用有限的视力去看一看这迷一样的海洋。光是有这种不屈不挠的精神还不行，我们必须知道海洋的密码。

图 海洋密码

我们看不透海洋，本质原因是因为水，这种常被称之为混沌介质的神奇之物以至柔之气击败所有的阳刚，“水滴石穿”也是它的杰作。在这个星球中横行天下的雷达电磁波，遇到水便销声匿迹，仿佛它从来没来过。红外，这个“黑白通吃”的家伙在柔弱的水面前，连头都抬不起来。还好，上帝在几乎把所有电磁波的门都关上时，唯独给可见光这扇门上还留了个缝，让可怜的人类在水面前还保持一点点视力。据说，2000多年前的老子李耳同志发现了这个秘密，写在《道德经》里，还写了什么“天下莫柔弱于水,而攻坚强者莫之能胜,以其无以易之。弱之胜强,柔之胜刚,天下莫不知,莫能行”等玄而又玄的东西。伪道腐儒常以熟颂《道德经》而得至宝，然却非知《道德经》几经伪造，更不知其密码焉存，沦为言必老子、“道可道、非常道”口若悬河之流，而老子提倡的却是三缄其口。老子在天之灵也会大骂其不肖不孝也。

传说，三国时的王弼把《道德经》篡改一遍，后世以为真传，然则不知，王弼出于某些不可告人的目的，竟然把老子关于水的密码给删除了，改头换面，变成了现在流传的版本，只留下了“上善若水，水善利万物而不争”的片言只语。

显然，我们不知老子到底是怎么说的，我们只能从蛛丝马迹中探索一下老子的密码。老子的核心思想是至柔至刚，以柔克刚，刚柔并济。水乃至柔之物，对付水绝不可强来，显然坂田的做法不可行。

海洋的本质是水——一种可以透光的介质，与空气相比，水的密度很高，而一旦混入了泥沙、盐份、水藻、浮游生物等物质，因其“不争”，只能逆来顺受，却也导致性质发生变化，这必然会影响光的传播问题。

既然上帝还给可怜的光在海洋中留了一条窄门，那就要看看谁能通过这道门，怎么能走得更远。这其实就是关于光的频率问题。

水又是一种典型的体散射介质，在光的传播方向上会存在路径千千万的复杂情况，这就意味着这些没有经过约束的光贴上“不团结”、“散漫”、“自由”这些标签，一点都不过分。能不能让光子“统一思想”，让它们听话呢？其实这就是我们在海洋光学中尤其要考虑的在体散射介质中的光场调制问题以及多维度光场探测的问题。

“以柔克刚”，还有个意思是在水下，远距离反射回来的信号光很弱（柔）、而背景光很强（刚）的前提下，如何提取区分开信号和杂光，该聚的聚（信号），该散的散（杂光），让我们看得更清楚。

总结起来就是首先让光传输得更远，返回的信号光特征更强，然后抑制强背景干扰，有效提取信号。

这是我分析的老子关于海洋密码的线索，接下来，顺着老子的海洋密码来看看海洋光学该怎么发展。

二、蓝还是绿？

海洋光学，言必蓝绿。作为一个常识，连不懂海洋光学的人都知道。这其实是由水的性质决定的，因为在水下，光的吸收、散射几乎占据了主导，再加上发散角的存在，能幸运走到更远的光子越来越少。

其实，这个问题要理性地去思考。比如，有人问具体是蓝光还是绿光，是哪个波长啊？这时候就有人开始犹豫了。严格地讲，蓝绿只是一个笼统的称呼，只是告诉我们，通常处于这一波段范围内的光更利于水下传播，而且隐含着“水是清澈的”这一前提。

有个报道说深海巨型热带水母会发蓝光，这是为什么？答案是大自然的选择。因为在太阳光根本无法到达的深海区，处于一片黑暗状态，而且深海区水质特别好，蓝光更容易传播，从而达到水母迷惑掠食者和吸引猎物的目的。

另外，即使在浅水区，我们拍摄的照片也是偏蓝，这其实也是因为其他波长的光大多被吸收而蓝光保留更多的原因。在浅水区域，水体对不同波长的自然光的吸收以及散射的差异性会造成重建图像存在严重的色彩失真。海水对光波的吸收与光波的波长成正比，与此相反，海水中粒子对光波的散射与光波的波长成反比。成像过程中，目标信息光与背景散射光经海水衰减后，波长较短的蓝光由于吸收较小而被探测器大量接收；同时，由于海水对波长较短的蓝光散射最大，因此，随着水体下行深度和成像距离的增加，造成拍摄的照片中蓝光占主导地位。

当然，我们现在可以用偏振成像方法有效解决水下偏色的问题。偏振信息天然具有移除水体散射的作用，在去除后向散射光的基础上，基于后向散射光与目标到探测器距离之间的关系，将目标的距离信息与Lambertian反射模型相结合。Lambertian反射模型描述了光线在物体表面均匀反射的特性，在传统模型的基础上，吸收和散射特性随距离的变化，建立水下Lambertian反射模型：

这种水下Lambertian反射模型的关键在于将各种因素综合考虑，包括光源的特性、物体表面的反射率以及探测器的响应函数，依据Gary World理论，建立相应参量与场景深度之间的关系，通过求解模型，从而更有效地弥补水体吸收光能量所引起的影响，实现颜色信息的还原。此外，对于重建图像中含有的非均匀噪声，以场景深度信息作为权重因子，设计一种自适应去噪方法，在去除远处目标噪声的同时，可以保留近处目标的细节信息。这将在海洋物种监测等需要观察目标颜色信息的应用领域具有重要的研究价值。

在我们国家，水质最好的是南海，东海和黄海就差了不少，渤海……那是一言难尽啊！然后，我们再来看看一个数据，在南海一般用450~480 nm波长的蓝光，而水质越差用的波长越长，很多时候，直接用630~680 nm红光。这很能说明问题：水质决定波长，水质越好，大分子越少，蓝光无疑是最好的选择；随着水质变差，水中成分复杂，短波长的光更容易发生散射，导致传播距离近。在这里，我们看一个实验，在清水中加入脱脂牛奶，随着浓度变大，不同光的传播距离清晰可见。

在这个实验中，我们加入了不同浓度的牛奶，采用不同波长的光源照射进行对比实验，可以明显看出，在介质浓度相对较低，水质较为清澈的情况下，二者的对比尚不明显；而随着浓度增加，水质变差，水中介质成分逐渐复杂的情况下，长波长的红光的优势逐渐凸显，其传播的距离更长，可探测和成像的范围更加广泛。

很显然，老子“水因势随形”的道理是对的。在实验过程中，我们甚至发现即使看起来清澈程度差不多的水质，因为盐分等成分不同，对光的吸收也不同，相对应的，光的频率选择也略有差异。

当然，我们还得思考一个问题，那就是：难道只有一个波长可以选择吗？

三、光场调控，给光子“统一思想”

光在水中的传播距离主要受到吸收和散射的限制，很显然，减少吸收和散射无疑是最佳途径。可是这句话说起来容易做起来难，目前普遍的做法还是“坂田”思路，那就是加大光的功率，结果却并不理想。

图 同一水质条件下不同光源功率的效果

光在水中之所以传不远，可以归结为一个原因是“思想不统一”，而给光子“统一思想”的有效方法其实就是光场调控。当然，能做光场调控的只能是主动照明模式。

这是因为光场调控技术是一种能够控制光子行为的方法，通过光场调控技术，甚至可以制作光镊，操控细胞、微小颗粒等等，发明者阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）也因此获得2018年的诺贝尔物理学奖。同样地，在海洋光学中，通过改变光场强度、相位、偏振态等分布，科学家们也可以精确操控光子在水下的传播路径、聚集和扩散，从而改善水下环境的可见度和成像质量。无疑，光场调控为解决水下环境中的光学问题提供了新的思路。

在水下成像中，由于水的散射、吸收和折射等特性，使得光线传播的路径变得异常复杂。水是一种复杂的体散射介质，参照光场调控技术在微纳光学和生物医学等领域中的应用，我们依然可以通过控制光的传播方向、振幅和相位等参数，给光子“统一思想”，让光传播得更远，从而实现对水下环境中目标物体的清晰成像。

无论在水下还是在自由空间中，衍射都是造成光束能量衰减的重要原因。通过光场调控的手段，可以构造一类具有特殊相位分布结构光束，即无衍射光束，在一定程度上降低衍射对能量损耗的影响。

无衍射光束是Durnin等人在1987年提出的概念，是指在传播过程中横截面上的光强分布保持不变的光束。无衍射光束实际上是波动方程的特殊解，可以看作是不同传播方向波矢的平面波叠加，且各平面波的相对相位保持不变，当光束遇到遮挡物时，即使部分平面波分量通过，也可以通过其余分量的干涉重建遮挡部分的波前分布，因此具有自修复特性，使光束稳定传播。理论上，组成无衍射光束的平面波分量应为无限多，能量无穷大，但是，这在现实中无法实现。常见的方法往往是通过光阑对光束进行切趾，使光束能量为有限值；此时，切趾后的光束能量为有限值，在特定区域内具备无衍射特性。虽然理想的无衍射光束无法产生，但经过切趾后的近似无衍射光束其传播距离仍然远大于相同半径的高斯光束，适合远距离光信号的传输。

涡旋光束是一种等相位面呈螺旋状分布的结构光束，在一定传播距离内可以保持无衍射特性，使得涡旋光束在水下环境中表现出较高的稳定性和鲁棒性。大量实验结果表明，在浑浊水体中传输时，涡旋光束相比于高斯光束具有更强的传输能力，同时，在较强湍流存在的情况下，涡旋光束也能够在一定程度上保持其螺旋相位结构，其传输能力随着拓扑荷数增大而增强。另一方面，不同拓扑荷数的涡旋光束具有不同的轨道角动量，彼此之间相互正交，不同角动量的光束可以实现多路复用，极大地提高了水下通信系统的容量。

贝塞尔光束是另一类典型的无衍射光束，其横向强度分布呈现出贝塞尔函数的形状。与传统的高斯光束相比，贝塞尔光束具有无衍射、自修复和长景深等特性。由于贝塞尔光束的无衍射特性，它能够在水下传输更长的距离，实现更远距离的通信和成像。同时，贝塞尔光束的长景深特性使得它能够在较大的深度范围内保持较好的成像质量。贝塞尔光束的自修复特性使得它能够在受到散射、遮挡等干扰后迅速恢复原有的形状和传播方向，在水下成像过程中可以获得更加稳定、可靠的图像信息。

当然，这些仅仅是常规的一些无衍射光束的光场调制模式，对于越来越成熟的多维光场调控技术来说，在微纳光学和生物医学领域广泛应用的光场调制技术一定可以用在海洋光学中。

对主动水下成像来说，光走的远了，回来也是个事。那下面就来看看返回来的信号光如何探测。

四、走开，你挡着我了！

在激光雷达的探测中，我们知道能量的衰减与距离的四次方成反比。显然，这已经很要命了；可是，更要命的是水对光的吸收和散射占了主导因素，衰减竟然蜕变为指数衰减，也就是与衰减系数和距离的乘积成指数关系。公式如下：

其中α为衰减系数，x为距离。

很显然，能量的衰减是导致水下探测距离近的主要原因。不过，困难远不止如此，信噪比是探测面临的另一个问题，而影响信噪比因素大者莫过于前向散射和后向散射。这两种散射除了都会损耗成像光束的能量之外，后向散射在主动照明时会产生更为严重的杂散光噪声，前向散射则会造成成像模糊。

为了提高信噪比，科学家已经设计出几种典型的水下成像方法。

1、距离选通

距离选通技术是利用脉冲激光和选通门利用时序信号的差异，将不同距离处介质的散射光与目标物的反射光分离，从而在成像相机上只显示目标物的强度图。通过时域调制，可以对由水体产生的大量后向散射信号进行屏蔽，减小水体散射对水下成像质量的影响，提高水下成像的作用范围。与此同时，由于距离选通技术在时间和空间上存在映射关系，可以实现对目标的三维成像。该技术空间分辨率高，探测器单元尺寸小、成本低、成像质量高，但对激光器、接收机和同步控制技术的要求很高。

2、激光线扫描技术

激光线扫描技术利用准直线阵激光与瞬时视场很窄的接收器同步扫描成像信号。由于接收器瞬时视场很小，由水体产生的大量后向散射噪声被阻挡在视场外，抑制了水体散射对目标成像的影响。相比于距离选通技术，激光线扫描技术能有效降低激光功率要求，但无法一次成像。激光同步线扫描系统接收器常采用光电倍增管或条纹管。该技术成像距离远，成像精度高，但该系统结构复杂、成本高、体积大。

3、水下偏振成像技术

水下偏振成像技术主要利用目标信息与背景散射光之间的偏振差异，利用偏振滤波对背景散射光进行抑制，实现目标水下清晰成像。目前，典型的水下偏振成像技术有水下偏振差分成像、被动水下偏振成像及主动水下偏振成像等。偏振差分技术利用偏振选择器件获取沿偏振方向相互正交的两幅偏振图像，利用偏振图像的差值消除背景散射，实现水下目标的清晰成像。被动水下偏振成像技术主要利用自然光源照明，解决了由于水体吸收导致的色彩失真。主动水下偏振成像技术通过完全偏振光照明，通过分析完全偏振光由于水体吸收导致的偏振变化，实现对散射光的抑制，达到清晰成像的效果。水下偏振成像技术能获取更多维度的光场信息，在浑浊水体中也能够实现清晰成像，但该系统成像距离有限，且容易受到干扰光的影响。

4、水下关联成像技术

关联成像技术利用光场的二阶相干特性实现透过水体后的清晰成像。与常规技术相比，关联成像技术具有更强的抗干扰能力。关联成像系统主要包括两个部分，一部分是基准光路，利用探测器采集随机涨落的光子信息。另一部分是信号采集部分，该部分信号经目标及水体调制后，被桶探测器或面探测器所记录。对两部分光路记录到的强度信号进行关联运算，就能够获取目标图像。该技术灵敏度高、抗干扰、工作波长宽、成像距离远，但系统结构复杂。

5、水下压缩感知成像技术

压缩感知成像是一种欠采样的成像方法，该技术利用信号的稀疏特性，在采样数远小于奈奎斯特采样定律时，利用随机编码获取信号的离散样本，而后通过非线性重建算法实现目标信号的高质量重建。在此基础上，可以将短脉冲照明技术、高频采样技术与压缩感知技术相结合，将不同距离的回波信号依照时序接收，并把后向散射噪声部分隔离在成像之外，实现了距离选通的目的，即软距离选通。该技术灵敏度高、成像距离远，但结构复杂。高分辨成像时数据量大，解算复杂。

这些方法各有所长，但实现更远距离的水下成像，路还很漫长。怎么办？

五、聚散两不忘，畅游江湖海

光场是计算成像的灵魂，而升维是计算成像的引擎。目前，水下成像多依靠单一强度，很显然，这个光场投影降维的维度有些过大，信息自然丢失太多。

现在我们梳理下光场的主要元素：强度、相位、偏振、光谱和轨道角动量，当然还有时间和空间这两个辅助元素。怎么能充分发挥这些元素的作用，调成一盘“五味俱全”的大餐，这才是我们要做的事情。让该聚的聚（信号光），该散的散（散射光），提高信噪比，获得清晰图像。在这里，我想畅想一下。

首先，我们还是来看光谱吧。上帝给我们留下一道“窄门”，我们小心翼翼地去挑选波长，为的就是看得更远。这样做似乎没问题，但很显然单论某个波长其实并不准确，应该是处于一段窄的光谱区域的光都是合适。当然，我们并不是为了获取高光谱图像，而是看得更远。这样一来，我们就可以大胆想象一下，能否用双波长甚至是多波长同时探测呢？就像双波长全息成像一样，可以选用LED等低相干光源抑制散斑图案与寄生条纹等相干噪声、提高信噪比，然后选用第二束相干光源展开低相干全息相位图像抑制包裹相位畸变，如此双波长模式有望在扩展测量范围的同时提高全息图的质量。再大胆一点，有没有可能像打仗一样，一个波长的光做掩护，让另一个波长的光走得更远呢？我想，这些都可以探讨。

然后，我们再来看光场调控的问题吧。光场调控的主要目的是让光走得更远，而水这个近乎各项同性的体散射介质会让更多的光子湮灭在行进的路上，随着距离增长，发散角越来越大，越来越多的光子会脱离大部队走了“歪路”。我们做光场调控时，能不能利用偏振、相位等信息构建一个管道，把光囚禁在管道之中，减少散射呢？比如光针技术通过调制偏振、相位等信息，构建出一个束缚光强的空间通道，通过调控白色圆圈内约1700个散斑，使得该区域内透过率增大为原来的3倍，同理也可以实现透过率的抑制。从而实现对光强的空间约束。

图 右下角方块颜色表示白色圆圈内的平均光强水平

尤其是偏振的各向异性特点，再加上涡旋的调制，很有可能带来光场中的光子高度“思想统一”。其实，这些方法在微纳光学中都有一些尝试，针对水这样的体散射介质，做专门的光场调制，将大有可为。

接下来就是多维度探测的问题了。目前，在远距离水下成像中强度是唯一的探测物理量，理由当然是其他物理量信号太弱，探测难度大。但是这里还是有漏洞，那就是忽略了目标特性的问题，而这些问题研究甚少，甚至连参考也无。随着多维度探测技术的发展，这些问题肯定会变得不一样，尤其是新型多物理量探测器的研制，一定会带来一个全新的世界。

六、花样 

有人说，光声成像有望解决远距离水下成像问题。其实，在国内，很可能最早提出这个想法的是我，我清楚地记得那是2016年的3月，北京爆表的雾霾也没有抑制住我那颗一心想创新的心，因为彼时我的几个学生在做光声成像，所以我小心翼翼地提出了这个想法。不过，我很快否定了这个问题，因为光产生的那点声信号弱得在海洋中堪比敲锣打鼓的声响中，犹如一根针落入棉絮。当然，后来还是有人在做，不过……

当然，在水下，我们不仅仅要做远距离的主动成像，也会做被动成像；我们更想绘制出海底的形貌，于是各种三维成像技术也应运而生，像是用运动结构法、立体视觉法和水下摄影测量等都可以实现被动解译三维图像；既有纯粹的水下成像，还有从空气到水的跨介质成像，花样百出。

据说，明成祖朱棣为了阻断大臣海外寻找朱允炆的路，毅然海禁。真可谓“深渊可探，人心叵测”。朱棣怎么想的，我们不知道；近在咫尺的浩瀚海洋到底是什么样的，我们也不知道，甚至是海底的沉船在哪里，我们也不知道。但人类探索海洋的决心和计算光学的崛起，建起了一座指路的灯塔。

老子说：道可道，非常道。

尼采说：当你凝视深渊时，深渊也会凝视你。