海洋生物水下原位监测技术及其在偏振维度的信息拓展

柯剑寒 ,岳钧百 ,程雪岷* ,毕洪生

(1.清华大学 深圳国际研究生院,广东 深圳,518055;2.马里兰大学 环境中心,美国 马里兰州,20688)

0 引言

光学技术是海洋科学研究的重要手段,以光学测量和光学成像为核心的光学观测被广泛应用在海洋理化性质、生态系统和地理资源的感知、分析及利用中[1-2]。进入21 世纪,光学技术日趋成熟,伴随着世界各国致力于强化针对海洋环境的科研力度、管理模式和发展战略,海洋光学技术也取得了长足发展,并遍布于海洋观测系统的所有平台,包括以遥感卫星[3-5]和航拍飞机[6-7]为主的天基平台、以科考船[8]和浮标[9-10]为主的海基平台、以水下无人系统[11-12]和水下传感器网络[13-14]为主的水下平台,在气象分析[15]、资源勘测[16]及生态研究[17-18]等领域发挥了重要作用。

具有高时空分辨率的光学成像方法能够提高海洋监测管理的实时性和准确性。程雪岷团队研发的PlanktonScope 浮游生物原位成像仪,围绕浮游生物种类多、尺寸跨度大、近岸水域浊度高等特点,对照明端、成像端和传感器模块进行了全面系统优化,能够在近岸高浊度的复杂环境中针对浮游生物进行跨尺度的高质量成像和有效监测;结合自主研发的基于神经网络算法的浮游生物智能识别系统,可以对多种浮游生物进行高准确率识别(如图1 所示)。该成像仪实现了从原位的光学图像信息到生物信息的近实时提取,扩充了国内的海洋浮游生物观测手段。通过PlanktonScope“革命性”的原位观测能力,浮游生物的迁移机制、爆发规律能够被详细地研究,生物灾害能够被准确地预测,从而带来海洋资源监管能力的高度提升,这也彰显了将光学方法用于海洋领域的巨大应用前景。目前,已有不少基于PlanktonScope获取的光学图像信息进行的海洋生态研究[19-22]。

图1 PlanktonScope 拍摄的尖笔帽螺图像Fig.1 Images of creseis acicula captured by PlanktonScope

偏振光学技术是利用光的偏振态属性对目标特定的光学调制特征进行反演或增强的手段。光作为电磁波,具有横波的一切性质,当光的振动矢量末端随时间呈规律性变化时,光为偏振光,并具备特定场景测量和成像过程的建模能力。偏振测量与成像技术主要有两方面的优势: 一是偏振具有在散射介质和杂散光环境中较强的特性保持能力,有助于提升成像过程的抗干扰程度[23];二是图像可提取成像目标特定的、与偏振相关的属性,可进一步推断目标的结构特征和理化性质[24]。以偏振在生物组织成像领域的应用为例,一方面,生物组织浸没于强散射介质,导致目标辐射光进入相机时,光的偏振特性发生退化(退偏)。因此,可设计偏振态的“门控机制”以区分未散射光与多重散射光,从而提升图像质量[25-26]。另一方面,生物组织的偏振调制特性包含有丰富的形态结构和生理功能信息,通过测量其辐射光的偏振参数可对组织区域实施定性或定量的分析和诊断[27-28]。除生命科学领域,偏振光学技术在去雾成像[29-30]、工业检测[31]和立体显示[32]等场景都有成熟的应用。而在海洋光学领域,偏振同样具有广泛的应用价值: 偏振光学技术能够在一定程度上提升水下和大气散射成像的图像质量[33],部分生物捕食者甚至进化出偏振视觉[34];海洋场景中感兴趣的舰船尾迹、溢油和鱼群等目标均可实施偏振信息的获取以分析相应特性[35-36]。

文中将对海洋生物水下原位监测技术中涉及偏振测量与成像的工作进行回顾。结合偏振技术引入的动机、模型、方法和目标,具体从海洋环境观测和海洋生物观测两方面展开,阐述各工作在技术水平提升和科学问题解决等方面做出的贡献,同时对相关方向存在的问题和技术未来的发展趋势进行了展望。

1 偏振测量与成像模型

光的偏振可建模为光的振动矢量在垂直于其传播方向的平面上两正交分量的合成[37],即

振动分量具有特定的振幅比例和相位差值δ=φx-φy,可建模为常规的椭圆方程,在此情况下,偏振矢量的轨迹为椭圆,偏振光为椭圆偏振光。当振幅和相位差取特定值时,椭圆偏振光变为特殊的线偏振光(δ为 π的整数倍)或圆偏振光(Ex=Ey,且 δ为π/2的奇数倍)。同时,相位差是具有正负取向的,并以此区分左旋光和右旋光。此外,自然界中的大部分光不具有偏振效应,其振动矢量末端的运动轨迹是无规律的。因此,可根据光的偏振分量所占比例,定义完全无偏振分量的自然光、部分偏振光和完全偏振光,并使用偏振度参数进行量化。

成像介质和成像目标的偏振特性研究就是通过调制光的上述偏振参数来展开的,这也是偏振测量和成像的数学基础。常用的数学模型包含琼斯(Jones)分析模型[38]和穆勒(Mueller)分析模型[39]。在琼斯模型中,被调制的偏振光建模为式(1)中的二维列向量,使用复数直接表示两正交方向振动矢量的振幅和相位值,并采用2×2 的琼斯矩阵G表示偏振向量的调制过程,同时输出新的偏振状态

琼斯分析模型具有简洁明了的表达形式,并且可对相干光的叠加实现灵活处理,但其只能表征完全偏振光的传播和调制过程,未考虑普遍存在的退偏效应。

进一步地,穆勒分析模型对偏振过程进行了更全面的建模。在此情况下,光被建模为如式(3)所示的四维斯托克斯(Stokes)矢量

式中:I为总光强;Q为0°和90°方向偏振分量的强度差值;U为45°和135°方向偏振分量的强度差值;V为左旋和右旋偏振分量的强度差值。

在该矢量中,非偏振分量SN和偏振分量SP可由I和其他元素的计算关系表示

因此,斯托克斯矢量对光的偏振属性具有更泛化的表征能力,对单色光和非单色光、偏振光和部分偏振光都可进行表述。

类似的,4×4 的穆勒矩阵M可用于偏振调制的表征,即

式中,Si和So分别为输入和输出的斯托克斯矢量。

穆勒矩阵包含了介质和目标极为全面的偏振属性,而其16 个阵元却并不能直接反映明显的物理意义和结构特性。因此,研究者们根据不同问题的需求设计了穆勒矩阵特定的计算表达方式[40-41],以提升模型物理含义的显著程度。

式(6)为穆勒矩阵极化分解方法的简易形式[42],其将偏振调制效应的总矩阵M分解为3 个子矩阵MD,MR和MΔ的矩阵乘积,分别代表偏振调制的二向色性、相位延迟和退偏过程。

在矩阵运算过程中,乘法的先后顺序具有不可交换性,因此针对不同分解顺序的研究也被提出,以适用于各向异性透明介质等更为广泛的场景[43]。除乘法分解外,何宏辉等[44]提出一套针对穆勒矩阵的变换方法,针对介质颗粒设计球柱散射模型,使用穆勒阵元拟合参数反演光学介质的散射粒径和各项异性等特征。

偏振测量和成像系统可简化为如图2 所示的起偏器和检偏器的级联组合。起偏器和检偏器关键的偏振计算器件为偏振片和波片。偏振片对某特定方向的偏振分量具有选通作用,最终结果是改变偏振分量在两正交方向上分布Ex和Ey的相对大小。波片对正交方向的振动具有不同的折射效应,由此导致两方向不用程度的相位延迟,最终结果是改变两正交偏振分量的相位差值δ。偏振测量通过不同起偏和检偏方式的组合计算样品的琼斯或穆勒矩阵,从而记录样品的理化属性和结构特征。同样适用于偏振成像,起偏部分可视为照明光路,检偏部分可视为成像光路,偏振门控[45]、偏振差分[46]、偏振三维[47]和偏振目标检测[48]等常见的偏振成像方法都可表示为该基础框架的衍生。

2 面向海洋环境的偏振观测

偏振测量和成像可以在很大程度上反演光在通过介质或经目标后被调制的物理过程,这适用于在海洋环境实现对围绕水体为核心的理化性质和动态事件进行的探测,实现面向地理特征、生态环境和人类活动的科学监测任务。

在宏观层面,研究者们通过偏振光学技术建立海洋偏振光场,对水体的物理信息展开研究。Zappa等[49]提出一种基于偏振斜率传感的被动光学遥感技术,利用成像表面法方向与反射光偏振态的关系反演当前视场的瞬时二维斜率,以斜坡图的形式恢复水面的形状信息,同时,通过流体短引力波恢复实验验证了方法的可行性。Tonizzo 等[50]使用高光谱相机结合多角度偏振测量仪对沿海水域的偏振光场进行测量,将实验数据与蒙特卡洛方法仿真得到的结果进行对比,验证了数值的一致性,这说明了偏振在以沿海水域为代表的复杂光场环境的应用潜力。You 等[51]研发了一套用于仿真动态海洋表面下偏振光场的数值模型,该模型结合三维蒙特卡洛方法和矩阵算子法,能够有效地仿真动态海空界面,将水的光学性质、波倾角和偏振光场紧密连接起来。Foster 等[52]论述了将偏振态作为额外遥感信息模态的必要性,并提出基于海面观测来确定水下偏振光场的思想,采用矢量辐射传输结合蒙特卡罗分析的方法来确定风驱动海洋表面的偏振光传输函数,丰富了洋面气象观测的技术手段和原始数据。

针对海洋环境感兴趣的目标或事件,偏振观测方法不但提高了监测的效率和精度,更可精细化地协调人类活动和海洋环境的交互关系。Li 等[53]使用混合极化架构的合成孔径雷达对洋面溢油进行了探测,通过斯托克斯矢量的第二项精准地实现了目标信息的增强。Guan 等[54]通过对东海和黄海海域白天、夜间和黄昏等多时间段天空光偏振分布的测量数据,证明了船舶和无人机系统利用海面天光的偏振信息进行导航的可行性。Xue 等[55]研究了海洋航行舰船的尾迹对洋面反射光偏振态的改变效应,并通过偏振成像的方式增强了目标尾迹的对比度,说明了偏振成像在军事敏感目标探测上的应用潜力。

在相对微观的环境监测场景中,偏振信息同样作为研究中重要的光学指标被关注。对介质散射光的测量被广泛用作获取海水属性和内容微粒性质的重要手段,Beardsley 等[56]首次关注了散射测量中的偏振问题,在美国波士顿港、新英格兰沿海、北大西洋及查尔斯河等4 个水域对海水的穆勒矩阵进行了测量,结果显示所述水域样本的穆勒矩阵具有归一化瑞利近似矩阵的一般性形式和强对称性。Kadyshevich 等[57]用相同的方法对黑海、太平洋和大西洋等海域进行了现场测量,研究了穆勒矩阵阵元与取样海水位置深度的关系。后续,Voss 等[58]在海水的穆勒矩阵测量中总结出阵元分布的一般形式,提出在误差范围内尽量简洁的海洋偏振特性表达方式。同样,海洋水体中光的偏振传递也作为重要的研究对象,例如Shashar等[59]对线偏光的传输进行了研究,充分研究了前向散射、后向散射和生物目标对偏振态的影响。

3 面向海洋生物的偏振观测

面向海洋生态系统的研究有助于把握科学且可持续的海洋环境管理模式,而相比水体、波浪和颗粒物等自然因素,海洋生物所具备的理化信息和结构特征更为明显也更为复杂。

3.1 成像维度拓展

偏振光学具有良好兼容性,即可与传统的光学成像方法进行结合,并在原有光路中加入偏振调制和检测的功能模块以进行综合高效的观测任务,实现偏振测量和成像技术对传统光学感知的拓展。从图像计算的角度来说,偏振领域的斯托克斯矢量和偏振度等参数均可对现有成像信息进行拓展。

在最原始的阶段,偏振成像技术并不涉及偏振态的测量过程,而是仅仅将其作为定性判别的工具。交叉偏振是典型的成像方法,即在照明端和成像端分别布置2 个方向相互垂直的线偏振片,并由照明端偏振片产生线偏振光,在偏振态未受调制时,无光学信号输出;当偏振光受调制改变偏振态后,才能检测出调制目标的信号。例如,Johnson[60]基于钙质骨架的浮游动物具有双折射效应的特性,使用交叉偏振显微镜加强斑马贻贝的探测和计数,其成像效果如图3 所示。交叉偏振的方法能够通过偏振特性的有无实现不同性质成像目标的区分,但单纯的交叉偏振方法也仅局限于双折射效应敏感的目标,具有很大的局限性,无法评估偏振的综合效应。

图3 偏振光照明成像(左)与交叉偏振成像(右)效果对比[60]Fig.3 IImaging comparison of polarized light illumination(left) and cross-polarized illumination (right)[60]

Otani 等[61]在水下原位监测场景中引入了全斯托克斯向量的偏振成像机制。其成像目标为透明度较高、视觉显著度不强的水中微塑料,完成了基于丰度统计的可视化和定量分析,并记录了丰年虾对微塑料颗粒的摄入过程。相对于使用交叉偏振方法识别具有双折射特性的微塑料,全斯托克斯向量的成像能够较为全面地评估偏振调制的性质,将交叉偏振遗漏的诸如旋光性的目标进行感知。Kagel 等[62]从研究海洋生物的偏振视觉出发,使用偏振相机针对凝胶状浮游动物和塑料袋进行了原位成像和偏振特性测量,通过偏振技术在成像维度上的扩展(线偏振度、偏振角等图像,如图4 所示),强化了对于海洋生物偏振视觉的理解,在一定程度上解释了部分捕食者对于塑料颗粒物具有更高摄入概率的现象。

图4 塑料目标和栉水母的原位偏振图像[62]Fig.4 In-situ polarization images of plastic bags and Ctenophora[62]

偏振测量和偏振成像的技术不仅兼容于传统的光学成像系统,如偏振显微镜[63],其同样兼容于相对复杂的光学方法,典型的应用有偏振敏感光学投影断层扫描[64]、荧光偏振技术[65]及偏振敏感光学相干层析[66]等。以荧光偏振测量为例,相对于传统的荧光测量系统,荧光偏振测量系统用偏振器件调制激发光源,在分离荧光信息后对荧光的偏振信息进行检测,如图5 所示。基于这一流程进行成像的荧光偏振显微镜是生物领域常用的工具[67]。Otero 等[68]将直接荧光偏振分析法用于贻贝的螺旋内酯检测和定量分析。基于这一系列应用,可以预想,将具有良好硬件兼容性的偏振技术更广泛地与现有的水下光学系统结合是未来可能的应用方向。

图5 传统荧光测量系统(左)和荧光偏振测量系统(右)示意图Fig.5 Illustration of traditional fluorescence imaging system (left) and fluorescence polarization imaging system (right)

3.2 基于偏振信息的目标检测

在前文的研究中,偏振信息的意义基本停留在其光学意义本身,或单纯定性地判定成像目标偏振特性的有无(例如交叉偏振),是在较浅层面上应用光的偏振态信息。而光学系统测量的是被观测目标调制后的光信号,因此光信号的偏振态特征在一定程度上是目标特征的体现,同时偏振态作为独立于频率、振幅、传播方向及相位等传统非偏振光学系统敏感参数的另一维度信息,其可能包含非偏振光学方法所忽略的信息;并且由于成像目标的偏振特性与诸多物理参数有关,从偏振信息中导出观测目标的其他特征是可能的。因此,偏振维度上的拓展信息可以完成传统方法难以实现的目标识别和分类。基于这一点,研究者们尝试将偏振光学方法应用于海洋领域,以提升目标检测和分类的精度。

早 在1989 年,Quinby-Hunt 等[69]就对小球藻的偏振光散射特性进行了研究,提出藻类的内部结构和折射率等参数与其偏振特性可能存在相关性,为使用偏振技术识别海洋中的藻类等微粒提出了可能性。Wang 等[70]提出了一种偏振光散射法,用于区分具有不同微观结构和物理性质的悬浮粒子,即使用偏振光照射悬浮粒子,并测量120°散射光的偏振态。该研究分别对聚苯乙烯微球、多孔聚苯乙烯微球、二氧化硅微球和海洋微型藻类等多种粒子散射光束的偏振态进行了测量,将测量得到的斯托克斯矢量用总光强进行归一化,最后通过线性判别分析法将斯托克斯矢量的多个分量参数转化为一维参数,其部分实验结果如图6 所示,图中q,u,v为归一化的斯托克斯矢量分量。实验结果表明,基于散射光的偏振态可以实现对任意2 种粒子的区分,这也证明了通过成像目标的偏振信息进行目标检测的可行性。

图6 具有不同粒径和折射率的微粒归一化偏振光散射信号Fig.6 Normalized polarized light scattering signals of microspheres with different diameters and refractive indices

研究已知,成像目标的偏振信息是通过光源经目标后的偏振态来体现的。而在一个偏振测量系统中,出射光的偏振态是入射光的偏振态经过成像目标改变后的结果,其受到照明方式的影响,不能纯粹地体现成像目标的性质。而穆勒矩阵表征的是成像目标对于光的偏振态的改变作用,其仅为成像目标偏振特性的函数,不受其他因素影响,因此,测量穆勒矩阵能够直观地获得成像目标的偏振信息。

Svensen 等[71]测量了11 种藻类的完整穆勒矩阵,并与球体散射模拟的结果进行了对比。该研究不但扩充了藻类的偏振数据,研究结果也表明不同藻类穆勒矩阵的特定阵元存在差异,基于穆勒矩阵的偏振光传输模型进行藻类物种区分具有可能性。Li 等[72]提出了微粒穆勒矩阵测量法,并尝试将其应用于区分海洋中悬浮的微塑料颗粒。穆勒矩阵在一定程度上能够体现粒子的形状、大小、结构及折射率等一系列特性。其中,折射率是悬浮粒子的一种重要特征,与其材料有关,这一特征可以从穆勒矩阵中导出。该研究测量了不同微粒的穆勒矩阵,从中导出了测量微粒的折射率,从而实现了对藻类、微塑料颗粒、砂粒等多种具有不同折射率的悬浮颗粒的区分,进一步结合完整穆勒矩阵的其余信息,实现了对不同微塑料颗粒的区分。该研究结果体现了基于穆勒矩阵的偏振光传输模型在海洋中的应用价值,并且也提供了如何开发偏振信息的一条思路——将偏振信息转化为具有明确意义的特征。偏振信息与成像目标的结构特性和物理参数具有一定的联系,但相当一部分参数之间的具体关联形式实际上并不明确。以穆勒矩阵为例,其具有16 个阵元,包含了成像目标完整的偏振信息,但其背后具体的物理意义并不明确。目前仍需要针对海洋中观测目标的偏振特性进行更广泛的测量,并尝试找到偏振参数与观测目标各项特征之间的联系,建立相应模型,通过偏振测量这样一种光学测量方法,实现对其他物理量的测量,从而拓展水下光学仪器的测量广度和维度,而观测手段的提升也必然提升海洋监控和管理的精确性。

3.3 生物生理和化学特性感知

偏振参数不仅具有被转换为成像目标的物理特征,针对生物的偏振测量和成像系统,光的偏振信息还可被进一步处理,实现从偏振信息到生理特征的飞跃。

早期一些针对海洋藻类的研究将偏振的方法应用于藻类的生化特性分析,例如基于果胶、纤维素和几丁质等物质不同的偏振特性(如双折射特性的有无),用光学方法结合一定的化学方法分析不同藻类的细胞壁成分,此类研究体现了将偏振方法用于分析藻类生理特征的可行性。Wang 等[73]提出了一种用偏振光散射信息来表征藻类生理状态的方法——使用6 种不同入射偏振光照明,测量散射信号并将偏振光散射信号用归一化的斯托克斯矢量进行表述,最后采用线性判别分析法实现藻类状态的区分。对2 种海洋微型藻类(Chattonella marina 和Scrippsiella trochoidea)的实验结果揭示了该方法的有效性和应用潜力,测量结果的一部分如图7 所示(连续数日内测量Chattonella marina悬液的散射光强和偏振信号,数值结果已进行归一化)。该研究表明,海洋藻类的形状及微观结构与其偏振特性存在联系,用偏振光学方法能够表征藻类的生理状态。这也为海洋生态环境监测提供了一种新的发展道路,即偏振信息能否对其他海洋生物的生理状态进行表征。相对于其他生理分析手段,使用偏振技术可以发挥光学方法在生物领域所特有的非标记、无损伤等优点,并且光学成像方法能够达到亚细胞级的分辨率,实现对海洋中微观生物的观测。

图7 Chattonella marina 样品在数日内的散射光强和偏振信号对比图[73]Fig.7 Comparison of scattered light intensity and polarization signal of Chattonella marina sample over several days[73]

偏振技术在生物领域,尤其是病理学领域,可用于分析处理生物的生理状态或者化学特性,例如生物分子的手性[74]、浅层组织中癌细胞与正常细胞的区分[75]、乳腺癌细胞胶原蛋白的结构[76]等。在海洋生物领域开发此类应用场景,可以通过光学方法的非标记、无损伤及高时空分辨等特点加强针对海洋生物的分析诊断能力,从而提升海洋生态管理能力。

4 结束语

文中对海洋光学领域中偏振测量和成像技术的应用进行了总结,从海洋环境和海洋生物观测两个层面对其进行了梳理,并着重讨论了偏振技术在海洋生物观测领域未来的研究重点和发展方向。

偏振光学方法作为非偏振光学方法的扩展,其硬件兼容于现有的光学系统,可以升级现有海洋光学仪器,拓宽现有测量手段的维度。但偏振光测量和成像技术在走向海洋生物领域更多实际应用场景的过程中,还面临许多问题。首先,无论是用偏振信息表征海洋生物或者其他微观粒子的结构特征、物理参数或是生理特性,都需要对这些观测目标的偏振特性进行详尽的研究,而目前海洋生物以及其他非生命物质的偏振数据还有待扩充。其次,偏振参数所具有的意义并不明确,以穆勒矩阵为例,其16 个阵元的意义并不直观,且存在大量信息冗余。而这需要对海洋生物的生理特性和偏振特性进行更详尽的研究,并建立从偏振信息到不同海洋物种的生理状态的映射。逐步建立足够的海洋生物偏振数据库,将偏振光学测量和分析的系统部署于水下原位监测场景,增加和丰富原位监测手段的评估指标,不光能够对海洋生物的密度、丰度等数值进行评估,同时能够在更为微观的层面上评价不同生命个体的生理状态,从而极大地提升海洋监管的合理性和准确性。

基于这些问题,面向海洋生物水下原位监测预期将发展以下偏振测量和成像技术: 1) 对海洋中诸多观测目标偏振特性作更为详尽的研究,建立完备的海洋生物偏振数据集;2) 明确偏振参数的物理意义,建立从偏振信息到物理信息和生理信息的映射,对偏振光传输过程进行准确建模,使偏振信息准确反映观测目标的各种特征;3) 面临水下原位监测这一复杂多变的场景,还需要解决诸如运动模糊、离焦模糊和近岸浑浊海域的杂质干扰等实际存在的工程问题;4) 测量仪器的小型化、快速化、集成化、抗干扰以及测量流程的优化也是未来重要的发展方向。