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近日，中國(guó)電信CTO、首席科學(xué)家、中國(guó)電信人工智能研究院（TeleAI）院長(zhǎng)李學(xué)龍教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開(kāi)深入研究，并創(chuàng)新研發(fā)一項(xiàng)“多偏振信息融合的水下關(guān)聯(lián)成像技術(shù)”。該技術(shù)通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)采集、噪聲分析、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，顯著提高了重建目標(biāo)圖像的質(zhì)量，為深度學(xué)習(xí)輔助的水下關(guān)聯(lián)成像提供了一種有效解決方案。

文章題目：

Multi-polarization fusion network for ghost imaging through dynamic scattering media

文章地址：

https://www.researching.cn/articles/OJfaf32f9ce2cbd80e

百年來(lái)，人類對(duì)大海的探索從未停止，從多樣的物種資源，到豐富的能源儲(chǔ)備，從潮汐發(fā)電項(xiàng)目，到水下電纜鋪設(shè)，每一次突破都拓展著認(rèn)知與活動(dòng)的邊界。然而，大海是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，特別是在幾十米深的近海水域，地形多樣，物種豐富，沙石、藻類等懸浮物較多，導(dǎo)致海水渾濁不清，為水下探測(cè)和識(shí)別帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

這是由于光線在水中會(huì)發(fā)生散射，并被其他物質(zhì)吸收。根據(jù)“朗伯-比爾”定律，光強(qiáng)在介質(zhì)中的衰減程度與光傳播的距離以及介質(zhì)的吸收和散射系數(shù)有關(guān)。特別是在水下檢測(cè)等涉水環(huán)境作業(yè)中，傳統(tǒng)的端到端成像技術(shù)對(duì)光場(chǎng)信息完整性要求極高，當(dāng)受到干擾時(shí)極易引入噪聲，從而造成目標(biāo)圖像信噪比降低。

因此，如何應(yīng)對(duì)光的衰減現(xiàn)象，在強(qiáng)吸收散射的涉水環(huán)境中高效利用待測(cè)目標(biāo)的多維信息并有效分析噪聲是亟待解決的問(wèn)題。

突破與創(chuàng)新

在此研究中，李學(xué)龍教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了一種多偏振融合互監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)（MPFNet）的關(guān)聯(lián)成像方法，可在多種散射環(huán)境下，利用噪聲調(diào)控技術(shù)高質(zhì)量重建目標(biāo)圖像，為計(jì)算關(guān)聯(lián)成像的涉水成像裝備研發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

在數(shù)據(jù)采集階段，該方法通過(guò)采集線偏振與圓偏振激光照明下待測(cè)目標(biāo)透射或反射的一維光強(qiáng)信號(hào)，獲取待測(cè)目標(biāo)的多偏振信息。

其中，線偏振信號(hào)可以有效濾除水下懸浮顆粒物的后向散射，圓偏振信號(hào)則能夠提供更穩(wěn)定的信號(hào)傳輸，減少由于散射引起的光場(chǎng)信息退化。

通過(guò)線偏振光和圓偏振光的融合，可以進(jìn)一步提高目標(biāo)回波信號(hào)獲取的完整性。

在數(shù)據(jù)分析階段，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多分支融合架構(gòu)，融合分析兩種偏振模式下采集信號(hào)的波動(dòng)性，從而提高信息分析效率。

通過(guò)設(shè)計(jì)多分支空間通道交叉注意模塊，探究目標(biāo)線偏振信息和圓偏振信息之間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而促進(jìn)編碼器和解碼器之間多分支特征信息的融合。

協(xié)同融合目標(biāo)線偏振與圓偏振信號(hào)，顯著提高了重建目標(biāo)信息的保真度。

在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練階段，使用采集待測(cè)目標(biāo)的多偏振信息作為標(biāo)簽，進(jìn)一步顯著提高該方法的泛化性。

MPFNet網(wǎng)絡(luò)充分結(jié)合了底層物理模型，將獲取的一維目標(biāo)信號(hào)作為監(jiān)督標(biāo)簽，避免了對(duì)預(yù)訓(xùn)練的依賴。

通過(guò)在自由空間與涉水環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，MPFNet方法顯著提高了強(qiáng)動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)中的關(guān)聯(lián)成像效果。

通過(guò)三個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新，這項(xiàng)研究提升了圖像重建質(zhì)量，使其能夠在具有挑戰(zhàn)性的涉水環(huán)境中以低采樣率實(shí)現(xiàn)有效重建。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過(guò)融合線偏振和圓偏振的目標(biāo)信號(hào)，能夠利用噪聲調(diào)控算法高質(zhì)量重建不同散射介質(zhì)中的目標(biāo)圖像，為深度學(xué)習(xí)輔助強(qiáng)動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)的關(guān)聯(lián)成像提供有效解決方案。

應(yīng)用與展望

李學(xué)龍教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在“多偏振信息融合的水下關(guān)聯(lián)成像技術(shù)”的研究成果，顯著提高了光場(chǎng)的信息利用率，能在強(qiáng)動(dòng)態(tài)散射條件下高質(zhì)量重建目標(biāo)圖像，為水下探測(cè)與成像設(shè)備的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，可應(yīng)用于海洋科考、資源勘探、水下考古等多個(gè)領(lǐng)域。

盡管該技術(shù)目前主要是針對(duì)涉水環(huán)境提出的，但偏振成像技術(shù)本身在霧霾、逆光等復(fù)雜大氣條件下也有一定的應(yīng)用潛力。其多偏振信息融合和信號(hào)處理的思路，為在大氣環(huán)境中克服類似的散射和干擾問(wèn)題提供了借鑒和啟示，有望通過(guò)進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，拓展到大氣光學(xué)探測(cè)領(lǐng)域，提高在霧霾、逆光等復(fù)雜大氣條件下的目標(biāo)探測(cè)能力。