基于5G網(wǎng)絡(luò)和水下成像技術(shù)的水域物證勘查設(shè)備應(yīng)用研究

石璐 江傳光

摘要：水域物證勘查工作存在設(shè)備簡陋、技術(shù)落后及效率低下等業(yè)界困境。基于激光成像技術(shù)及5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，文章探索在空曠水域環(huán)境下，如何將先進(jìn)的水下成像技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)700 MHz頻段的廣域覆蓋能力相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效、便捷的水域物證搜尋和圖像信息在水陸間的實(shí)時傳送。在信息技術(shù)與通信技術(shù)的深度融合下，新一代水下成像設(shè)備的成功研制與應(yīng)用，為水域物證勘查工作的順利開展提供了創(chuàng)新應(yīng)用場景與發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：水域物證勘查； 水下成像； 光學(xué)成； 700 MHz通信

中圖分類號：D918.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）04-0069-03

0 引言

刑事案件大多發(fā)生在陸地，但近年來水域包括海域發(fā)生的刑事案件數(shù)量呈逐年增加的趨勢。很多犯罪活動地點(diǎn)可能涉及池塘、溪流、湖水、海面等水域現(xiàn)場，而水域空間與一般室外露天現(xiàn)場存在較大差異，犯罪現(xiàn)場的物證搜尋、固定、提取、保存等技偵工作面臨著更多的挑戰(zhàn)［1］。國內(nèi)對水下探測成像的研究起步較晚，目前天津津航技術(shù)物理研究所、華中科技大學(xué)光電學(xué)院、中國海洋大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，對水下光傳播特性、器件分析及改良、系統(tǒng)集成等方面進(jìn)行了諸多探索，并提出了不少新的水下成像方法［2］。部分新技術(shù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用潛力巨大。國內(nèi)商業(yè)化的產(chǎn)品主要分為2類：一類是只具備高清攝像機(jī)的被動成像設(shè)備，攝像深度有限，成像距離近，只適合照明充足的清澈水質(zhì)；另一類是簡單的主動照明成像設(shè)備，其后向散射噪聲嚴(yán)重，光源利用率低，成像距離相對較近［3］。

本研究項(xiàng)目與公安基層現(xiàn)勘團(tuán)隊(duì)開展合作，通過將水下光學(xué)成像技術(shù)引入現(xiàn)場勘查工作，發(fā)現(xiàn)水下物證搜尋應(yīng)用場景下需要解決的技術(shù)難題，提出相應(yīng)的解決、改進(jìn)方案。針對海洋及內(nèi)陸江河湖泊的復(fù)雜環(huán)境特征，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化裝置端的軟、硬件系統(tǒng)，研制出新一代水下成像設(shè)備，該設(shè)備可以滿足公安機(jī)關(guān)案件現(xiàn)場勘查條件，實(shí)現(xiàn)水下清晰成像、水下目標(biāo)探測、水底地形勘查等功能。

1 水域物證勘查現(xiàn)狀

偵查機(jī)關(guān)到達(dá)水域犯罪現(xiàn)場后，通過設(shè)置警戒線和告示牌劃定現(xiàn)場保護(hù)范圍，由專業(yè)技偵人員穿戴防水裝備或乘坐打撈船只，攜帶專業(yè)打撈設(shè)備及相機(jī)等取證設(shè)備至現(xiàn)場開展物證勘查工作。受水域環(huán)境及軟、硬件設(shè)備與技術(shù)的限制，現(xiàn)場勘查工作存在以下難點(diǎn)。

（1）水下物證搜尋工作精準(zhǔn)性差。面對復(fù)雜的水域情況，特別是渾濁的水下環(huán)境，傳統(tǒng)的“蛙人”和打撈機(jī)械很難精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場物證搜尋、采證。當(dāng)水下成像條件較差，無篩選、無差別的物品打撈容易造成有效證據(jù)損壞或遺漏，對辦案資源也是一種低價值消耗和浪費(fèi)。真實(shí)的自然水體富含各種泥沙顆粒、微生物等雜質(zhì)，光在這類水體環(huán)境中傳播是一個十分復(fù)雜的物理過程，其能量的衰減速度比在空氣中傳播強(qiáng)數(shù)百倍，還會增加許多無用的噪聲信息?？朔畬獾膹?fù)雜物理作用，是獲得遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量水下視頻圖像的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

（2）現(xiàn)場搜證水陸聯(lián)動時效性弱。受制于水域信號覆蓋條件，現(xiàn)場勘查工作對設(shè)備的本地存儲能力和實(shí)操人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)有較高的要求?，F(xiàn)場勘查工作形成的視像文件無法與陸地實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳輸，需要先在本地存儲，只有返回陸地后，才能下載后進(jìn)行下一步的分析研判。水域的通信傳輸對無線網(wǎng)絡(luò)的性能的要求較高，由于不能選址建站且供電和敷設(shè)光纜的成本極高，因此江河湖海等區(qū)域幾乎沒有可用的站點(diǎn)資源?；靖采w能力有限，只能保障離岸約10 km的范圍內(nèi)有較好的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)；隨著離岸距離增加，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和質(zhì)量隨之降低，離岸約30 km后，海域通信主要依靠衛(wèi)星和海岸基站有限的覆蓋能力，不僅信號差且資費(fèi)較貴。

2 新型水下成像設(shè)備研究與應(yīng)用

我國內(nèi)陸淡水水體和沿海近岸水體的水質(zhì)較差，常規(guī)的成像手段無法獲得清晰圖像，本項(xiàng)目研制出一種基于光學(xué)成像技術(shù)的水下成像設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在渾水中“看得見”，在清水中“看得遠(yuǎn)”的效果。該裝置通過多項(xiàng)核心技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)及軟硬件配置升級，提升了水下環(huán)境勘查中的實(shí)物成像質(zhì)量，同時實(shí)現(xiàn)了水域與陸地間的實(shí)時回傳與互動。

2.1 水下成像技術(shù)難點(diǎn)攻克

（1）采用新型光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制手段，減少散射噪聲的產(chǎn)生和噪聲信息的接收。在水下主動成像設(shè)備研發(fā)解決方案中，光源的光學(xué)特征是影響成像設(shè)備接收散射噪聲量的一個重要因素。成像設(shè)備接收到的后向散射光噪聲來自光束和成像設(shè)備視場交疊區(qū)域的水體。后向散射光不包含任何目標(biāo)信息，其非均勻的強(qiáng)度分布導(dǎo)致回波信號整體亮度提升，并大幅度提高了回波信號的動態(tài)范圍，將有用目標(biāo)信號淹沒于后向散射噪聲中［4］。在渾濁水域，噪聲的影響特別嚴(yán)重，是限制成像設(shè)備探測距離和識別概率的決定性因素。設(shè)備采用新型光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制，減少照明光束產(chǎn)生的散射噪聲，避免接收系統(tǒng)接收多余的噪聲信息。相比一般的水下電視，本設(shè)備無論在清水還是渾濁水質(zhì)，都有更遠(yuǎn)的成像距離和更高的成像質(zhì)量。

（2）使用偏振技術(shù)，降低后向散射噪聲的影響，提高圖像質(zhì)量和可視性。光的偏振特性是光的固有性質(zhì)，通過人為控制可以獲得任意偏振狀態(tài)的光束。本裝置采用國內(nèi)外先進(jìn)的光學(xué)器件，組建精密的光學(xué)偏振結(jié)構(gòu)，利用水和目標(biāo)對偏振光的退偏振作用之間的差異，區(qū)分有用目標(biāo)信息和無用的噪聲，從硬件技術(shù)上抑制噪聲接收量，極大地提高了對比度和成像質(zhì)量。

（3）利用水下成像理論模型進(jìn)行詳細(xì)的信噪比計(jì)算，得到最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在相關(guān)理論計(jì)算的指導(dǎo)下進(jìn)行便攜性成像設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步規(guī)避后向散射噪聲，提高系統(tǒng)的續(xù)航能力和可操作性。噪聲散射抑制后向散射噪聲的效果一般，圖像的霧感強(qiáng)烈，而經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的系統(tǒng)，圖像對比度增強(qiáng)，而且物品的成像細(xì)節(jié)更加清晰。

（4）采用自適應(yīng)圖像超分辨率算法，有效提升實(shí)時畫質(zhì)的效果。基于水下圖像稀疏性紋理特征，結(jié)合應(yīng)用自適應(yīng)圖像超分辨率算法和并行圖像處理技術(shù)，能夠讓成像裝置自適應(yīng)水體昏暗、模糊和霧化的惡劣環(huán)境，達(dá)到高速、實(shí)時地重構(gòu)水下圖像紋理、均衡圖像色彩、凸顯圖像細(xì)節(jié)、提升視覺效果的目的，還能檢測水下運(yùn)動目標(biāo)、識別圖像微小目標(biāo)，有利于時頻圖像的傳輸和存儲。該算法的應(yīng)用不僅可以有效提升實(shí)時畫質(zhì)的效果，還具有實(shí)時處理圖像的功能，可以更加清晰地觀察水下情景。

（5）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離圖像信息重現(xiàn)。為提高超過3倍視距的成像效果，系統(tǒng)利用激光調(diào)制圖案與目標(biāo)回波信號能量的相關(guān)性，摒棄回波信號的空間信息，轉(zhuǎn)而接收少數(shù)的能量；利用數(shù)個能量值與調(diào)制圖案兩者關(guān)聯(lián)的特性，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法將圖像信息重現(xiàn)。該方式不僅可以提供遠(yuǎn)距離微弱信號的圖像，還可以重現(xiàn)遠(yuǎn)距離圖像信息。

2.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋實(shí)現(xiàn)途徑

受制于水域地理環(huán)境的影響，物證勘察工作中的圖像回傳對于無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和傳輸性能有較高的要求。隨著5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的全面升級和700 MHz頻段資源的正式商用，水域物證勘察等相關(guān)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)入全新的時代。5G網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、廣連接、低時延、高可靠等特性，而700 MHz頻段相比傳統(tǒng)的5G無線頻段，具有覆蓋深度和廣度方面的優(yōu)勢。

在進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)時，使用的頻段越高，基站覆蓋的半徑就越小，如要達(dá)到連續(xù)覆蓋，基站建設(shè)的投入成本就會很高?；具x址對地理環(huán)境也有要求，水域的無線信號覆蓋可以更好地采用700 MHz的低頻無線資源［5］。700 MHz頻段是移動通信廣泛使用的低頻段（小于1 GHz，也稱Sub1G），它的優(yōu)點(diǎn)是頻率低、覆蓋距離遠(yuǎn)、繞射能力強(qiáng)、信號穿透能力強(qiáng)、組網(wǎng)成本低。700 MHz網(wǎng)絡(luò)能夠有效補(bǔ)足近海的5G信號覆蓋，在近海養(yǎng)殖，濱海旅游、客運(yùn)，漁政、海事執(zhí)法，海上風(fēng)電，深海養(yǎng)殖，遠(yuǎn)海捕撈、航運(yùn)、科考等場景已經(jīng)有了深度的應(yīng)用。根據(jù)理論測算及實(shí)景驗(yàn)證，700 MHz頻段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了近海超100 km的覆蓋范圍。

2.3 圖像傳輸實(shí)現(xiàn)途徑

在開展水域物證勘察工作過程中，通過勘察設(shè)備端加載的CPE無線終端接入設(shè)備及700 MHz的5G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，能夠?qū)崟r回傳現(xiàn)場勘查圖像信息，降低本地存儲資源成本。成像設(shè)備的水下成像探頭與水上裝置之間通過電纜線連接，水上裝置配置無線信號發(fā)生設(shè)備，具備藍(lán)牙及無線網(wǎng)絡(luò)接入能力。實(shí)操人員可通過手機(jī)App端實(shí)時查看水下視像信息，并通過外置CPE裝置配合插拔式物聯(lián)網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)本地視像的實(shí)時回傳，與陸地技偵單位及人員取得實(shí)時互動，可以極大地提升物證勘查的工作效率，為案件偵破贏得寶貴的時間。

3 應(yīng)用效果分析

對本項(xiàng)目研制的高性能水下激光成像設(shè)備（見圖1）所獲得的水下光學(xué)圖像進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的水下成像設(shè)備，本設(shè)備具有更遠(yuǎn)的成像距離和更高的成像質(zhì)量，尤其可以解決傳統(tǒng)設(shè)備在渾濁水質(zhì)中難以成像的問題。相比國外先進(jìn)的產(chǎn)品，該成像設(shè)備體積更小、功耗更低、成像效果更好、成本更低。外場測試中，在較差水質(zhì)下，本設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了2～3倍視距的成像距離，成像質(zhì)量較高，可見河底的信息，低反射率的泥沙仍然能看出細(xì)節(jié)。實(shí)驗(yàn)表明，成像的清晰度完全可以進(jìn)行人眼甚至機(jī)器分辨。

在基于700 MHz網(wǎng)絡(luò)的圖像回傳功能驗(yàn)證中，通過搭載如圖2所示的5G CPE 終端通信，實(shí)測離岸網(wǎng)絡(luò)傳輸能力在30 km處可滿足系統(tǒng)通信要求。成像設(shè)備拍攝的圖像通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量回傳路徑如圖3所示。

4 結(jié)語

基于5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的水域物證勘察技術(shù)的應(yīng)用，有賴于新技術(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)和新勘察方式的融合。未來，提升設(shè)備成像穩(wěn)定性和續(xù)航能力將會是成像產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化的重點(diǎn)方向。此外，為提高現(xiàn)場工作效率和圖像回傳質(zhì)量，相應(yīng)的5G CPE與模組的選型及適配，也會是產(chǎn)品主流供應(yīng)商和相關(guān)產(chǎn)業(yè)生態(tài)關(guān)注的重點(diǎn)。相信隨著產(chǎn)業(yè)生態(tài)規(guī)模的壯大和不斷深入的研究探索，新技術(shù)、新產(chǎn)品的出現(xiàn)將有力賦能基層公安部門的刑偵工作，助力公安智慧信息化和刑偵水平的提升。

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