基于5G网络和水下成像技术的水域物证勘查设备应用研究

石璐 江传光

摘要：水域物证勘查工作存在设备简陋、技术落后及效率低下等业界困境。基于激光成像技术及5G网络通信技术的发展，文章探索在空旷水域环境下，如何将先进的水下成像技术与5G网络700 MHz频段的广域覆盖能力相结合，实现高效、便捷的水域物证搜寻和图像信息在水陆间的实时传送。在信息技术与通信技术的深度融合下，新一代水下成像设备的成功研制与应用，为水域物证勘查工作的顺利开展提供了创新应用场景与发展思路。

关键词：水域物证勘查； 水下成像； 光学成； 700 MHz通信

中图分类号：D918.2  文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）04-0069-03

0 引言

刑事案件大多发生在陆地，但近年来水域包括海域发生的刑事案件数量呈逐年增加的趋势。很多犯罪活动地点可能涉及池塘、溪流、湖水、海面等水域现场，而水域空间与一般室外露天现场存在较大差异，犯罪现场的物证搜寻、固定、提取、保存等技侦工作面临着更多的挑战［1］。国内对水下探测成像的研究起步较晚，目前天津津航技术物理研究所、华中科技大学光电学院、中国海洋大学等研究机构，对水下光传播特性、器件分析及改良、系统集成等方面进行了诸多探索，并提出了不少新的水下成像方法［2］。部分新技术已经在实验室通过实验验证，应用潜力巨大。国内商业化的产品主要分为2类：一类是只具备高清摄像机的被动成像设备，摄像深度有限，成像距离近，只适合照明充足的清澈水质；另一类是简单的主动照明成像设备，其后向散射噪声严重，光源利用率低，成像距离相对较近［3］。

本研究项目与公安基层现勘团队开展合作，通过将水下光学成像技术引入现场勘查工作，发现水下物证搜寻应用场景下需要解决的技术难题，提出相应的解决、改进方案。针对海洋及内陆江河湖泊的复杂环境特征，在现有技术的基础上，通过优化装置端的软、硬件系统，研制出新一代水下成像设备，该设备可以满足公安机关案件现场勘查条件，实现水下清晰成像、水下目标探测、水底地形勘查等功能。

1 水域物证勘查现状

侦查机关到达水域犯罪现场后，通过设置警戒线和告示牌划定现场保护范围，由专业技侦人员穿戴防水装备或乘坐打捞船只，携带专业打捞设备及相机等取证设备至现场开展物证勘查工作。受水域环境及软、硬件设备与技术的限制，现场勘查工作存在以下难点。

（1）水下物证搜寻工作精准性差。面对复杂的水域情况，特别是浑浊的水下环境，传统的“蛙人”和打捞机械很难精准地实现现场物证搜寻、采证。当水下成像条件较差，无筛选、无差别的物品打捞容易造成有效证据损坏或遗漏，对办案资源也是一种低价值消耗和浪费。真实的自然水体富含各种泥沙颗粒、微生物等杂质，光在这类水体环境中传播是一个十分复杂的物理过程，其能量的衰减速度比在空气中传播强数百倍，还会增加许多无用的噪声信息。克服水对光的复杂物理作用，是获得远距离、高质量水下视频图像的关键技术难点。

（2）现场搜证水陆聯动时效性弱。受制于水域信号覆盖条件，现场勘查工作对设备的本地存储能力和实操人员的经验、技术有较高的要求。现场勘查工作形成的视像文件无法与陆地实现实时传输，需要先在本地存储，只有返回陆地后，才能下载后进行下一步的分析研判。水域的通信传输对无线网络的性能的要求较高，由于不能选址建站且供电和敷设光缆的成本极高，因此江河湖海等区域几乎没有可用的站点资源。基站覆盖能力有限，只能保障离岸约10 km的范围内有较好的语音和数据业务体验；随着离岸距离增加，网络覆盖率和质量随之降低，离岸约30 km后，海域通信主要依靠卫星和海岸基站有限的覆盖能力，不仅信号差且资费较贵。

2 新型水下成像设备研究与应用

我国内陆淡水水体和沿海近岸水体的水质较差，常规的成像手段无法获得清晰图像，本项目研制出一种基于光学成像技术的水下成像设备，实现在浑水中“看得见”，在清水中“看得远”的效果。该装置通过多项核心技术创新攻关及软硬件配置升级，提升了水下环境勘查中的实物成像质量，同时实现了水域与陆地间的实时回传与互动。

2.1 水下成像技术难点攻克

（1）采用新型光学系统调制手段，减少散射噪声的产生和噪声信息的接收。在水下主动成像设备研发解决方案中，光源的光学特征是影响成像设备接收散射噪声量的一个重要因素。成像设备接收到的后向散射光噪声来自光束和成像设备视场交叠区域的水体。后向散射光不包含任何目标信息，其非均匀的强度分布导致回波信号整体亮度提升，并大幅度提高了回波信号的动态范围，将有用目标信号淹没于后向散射噪声中［4］。在浑浊水域，噪声的影响特别严重，是限制成像设备探测距离和识别概率的决定性因素。设备采用新型光学系统调制，减少照明光束产生的散射噪声，避免接收系统接收多余的噪声信息。相比一般的水下电视，本设备无论在清水还是浑浊水质，都有更远的成像距离和更高的成像质量。

（2）使用偏振技术，降低后向散射噪声的影响，提高图像质量和可视性。光的偏振特性是光的固有性质，通过人为控制可以获得任意偏振状态的光束。本装置采用国内外先进的光学器件，组建精密的光学偏振结构，利用水和目标对偏振光的退偏振作用之间的差异，区分有用目标信息和无用的噪声，从硬件技术上抑制噪声接收量，极大地提高了对比度和成像质量。

（3）利用水下成像理论模型进行详细的信噪比计算，得到最优的系统结构。在相关理论计算的指导下进行便携性成像设备的系统结构优化，进一步规避后向散射噪声，提高系统的续航能力和可操作性。噪声散射抑制后向散射噪声的效果一般，图像的雾感强烈，而经过结构优化的系统，图像对比度增强，而且物品的成像细节更加清晰。

（4）采用自适应图像超分辨率算法，有效提升实时画质的效果。基于水下图像稀疏性纹理特征，结合应用自适应图像超分辨率算法和并行图像处理技术，能够让成像装置自适应水体昏暗、模糊和雾化的恶劣环境，达到高速、实时地重构水下图像纹理、均衡图像色彩、凸显图像细节、提升视觉效果的目的，还能检测水下运动目标、识别图像微小目标，有利于时频图像的传输和存储。该算法的应用不仅可以有效提升实时画质的效果，还具有实时处理图像的功能，可以更加清晰地观察水下情景。

（5）实现远距离图像信息重现。为提高超过3倍视距的成像效果，系统利用激光调制图案与目标回波信号能量的相关性，摒弃回波信号的空间信息，转而接收少数的能量；利用数个能量值与调制图案两者关联的特性，应用机器学习算法将图像信息重现。该方式不仅可以提供远距离微弱信号的图像，还可以重现远距离图像信息。

2.2 网络覆盖实现途径

受制于水域地理环境的影响，物证勘察工作中的图像回传对于无线网络的覆盖范围和传输性能有较高的要求。随着5G网络环境的全面升级和700 MHz频段资源的正式商用，水域物证勘察等相关应用技术进入全新的时代。5G网络具有大带宽、广连接、低时延、高可靠等特性，而700 MHz频段相比传统的5G无线频段，具有覆盖深度和广度方面的优势。

在进行5G网络基站建设时，使用的频段越高，基站覆盖的半径就越小，如要达到连续覆盖，基站建设的投入成本就会很高。基站选址对地理环境也有要求，水域的无线信号覆盖可以更好地采用700 MHz的低频无线资源［5］。700 MHz频段是移动通信广泛使用的低频段（小于1 GHz，也称Sub1G），它的优点是频率低、覆盖距离远、绕射能力强、信号穿透能力强、组网成本低。700 MHz网络能够有效补足近海的5G信号覆盖，在近海养殖，滨海旅游、客运，渔政、海事执法，海上风电，深海养殖，远海捕捞、航运、科考等场景已经有了深度的应用。根据理论测算及实景验证，700 MHz频段已经实现了近海超100 km的覆盖范围。

2.3 图像传输实现途径

在开展水域物证勘察工作过程中，通过勘察设备端加载的CPE无线终端接入设备及700 MHz的5G无线网络传输方式，能够实时回传现场勘查图像信息，降低本地存储资源成本。成像设备的水下成像探头与水上装置之间通过电缆线连接，水上装置配置无线信号发生设备，具备蓝牙及无线网络接入能力。实操人员可通过手机App端实时查看水下视像信息，并通过外置CPE装置配合插拔式物联网卡，实现本地视像的实时回传，与陆地技侦单位及人员取得实时互动，可以極大地提升物证勘查的工作效率，为案件侦破赢得宝贵的时间。

3 应用效果分析

对本项目研制的高性能水下激光成像设备（见图1）所获得的水下光学图像进行分析发现，相比传统的水下成像设备，本设备具有更远的成像距离和更高的成像质量，尤其可以解决传统设备在浑浊水质中难以成像的问题。相比国外先进的产品，该成像设备体积更小、功耗更低、成像效果更好、成本更低。外场测试中，在较差水质下，本设备基本实现了2～3倍视距的成像距离，成像质量较高，可见河底的信息，低反射率的泥沙仍然能看出细节。实验表明，成像的清晰度完全可以进行人眼甚至机器分辨。

在基于700 MHz网络的图像回传功能验证中，通过搭载如图2所示的5G CPE 终端通信，实测离岸网络传输能力在30 km处可满足系统通信要求。成像设备拍摄的图像通过5G网络实现高质量回传路径如图3所示。

4 结语

基于5G网络覆盖下的水域物证勘察技术的应用，有赖于新技术、新产品的研发和新勘察方式的融合。未来，提升设备成像稳定性和续航能力将会是成像产品设计与性能优化的重点方向。此外，为提高现场工作效率和图像回传质量，相应的5G CPE与模组的选型及适配，也会是产品主流供应商和相关产业生态关注的重点。相信随着产业生态规模的壮大和不断深入的研究探索，新技术、新产品的出现将有力赋能基层公安部门的刑侦工作，助力公安智慧信息化和刑侦水平的提升。

5 参考文献

［1］张念宏.海上油污刑事责任研究［D］.上海：华东政法大学，2017.

［2］鲍富成.水下偏振成像及图像处理方法研究［D］.长春：长春理工大学，2019.

［3］程虎.水下环境多参数测量及三维成像的方法研究与系统设计［D］.武汉：华中科技大学，2020.

［4］沈振民，赵彤，王云才，等.混沌脉冲激光雷达水下目标探测［J］.红外与激光工程，2019，48（4）：116-122.

［5］曾海燕，郑鑫.基于5G移动通信基站选址方法的探究［J］.智能计算机与应用，2020，10（5）：231-232，237.