海洋生物水下原位監(jiān)測(cè)技術(shù)及其在偏振維度的信息拓展

柯劍寒 ,岳鈞百 ,程雪岷* ,畢洪生

(1.清華大學(xué) 深圳國(guó)際研究生院,廣東 深圳,518055;2.馬里蘭大學(xué) 環(huán)境中心,美國(guó) 馬里蘭州,20688)

0 引言

光學(xué)技術(shù)是海洋科學(xué)研究的重要手段,以光學(xué)測(cè)量和光學(xué)成像為核心的光學(xué)觀測(cè)被廣泛應(yīng)用在海洋理化性質(zhì)、生態(tài)系統(tǒng)和地理資源的感知、分析及利用中[1-2]。進(jìn)入21 世紀(jì),光學(xué)技術(shù)日趨成熟,伴隨著世界各國(guó)致力于強(qiáng)化針對(duì)海洋環(huán)境的科研力度、管理模式和發(fā)展戰(zhàn)略,海洋光學(xué)技術(shù)也取得了長(zhǎng)足發(fā)展,并遍布于海洋觀測(cè)系統(tǒng)的所有平臺(tái),包括以遙感衛(wèi)星[3-5]和航拍飛機(jī)[6-7]為主的天基平臺(tái)、以科考船[8]和浮標(biāo)[9-10]為主的海基平臺(tái)、以水下無人系統(tǒng)[11-12]和水下傳感器網(wǎng)絡(luò)[13-14]為主的水下平臺(tái),在氣象分析[15]、資源勘測(cè)[16]及生態(tài)研究[17-18]等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

具有高時(shí)空分辨率的光學(xué)成像方法能夠提高海洋監(jiān)測(cè)管理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。程雪岷團(tuán)隊(duì)研發(fā)的PlanktonScope 浮游生物原位成像儀,圍繞浮游生物種類多、尺寸跨度大、近岸水域濁度高等特點(diǎn),對(duì)照明端、成像端和傳感器模塊進(jìn)行了全面系統(tǒng)優(yōu)化,能夠在近岸高濁度的復(fù)雜環(huán)境中針對(duì)浮游生物進(jìn)行跨尺度的高質(zhì)量成像和有效監(jiān)測(cè);結(jié)合自主研發(fā)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的浮游生物智能識(shí)別系統(tǒng),可以對(duì)多種浮游生物進(jìn)行高準(zhǔn)確率識(shí)別(如圖1 所示)。該成像儀實(shí)現(xiàn)了從原位的光學(xué)圖像信息到生物信息的近實(shí)時(shí)提取,擴(kuò)充了國(guó)內(nèi)的海洋浮游生物觀測(cè)手段。通過PlanktonScope“革命性”的原位觀測(cè)能力,浮游生物的遷移機(jī)制、爆發(fā)規(guī)律能夠被詳細(xì)地研究,生物災(zāi)害能夠被準(zhǔn)確地預(yù)測(cè),從而帶來海洋資源監(jiān)管能力的高度提升,這也彰顯了將光學(xué)方法用于海洋領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。目前,已有不少基于PlanktonScope獲取的光學(xué)圖像信息進(jìn)行的海洋生態(tài)研究[19-22]。

圖1 PlanktonScope 拍攝的尖筆帽螺圖像Fig.1 Images of creseis acicula captured by PlanktonScope

偏振光學(xué)技術(shù)是利用光的偏振態(tài)屬性對(duì)目標(biāo)特定的光學(xué)調(diào)制特征進(jìn)行反演或增強(qiáng)的手段。光作為電磁波,具有橫波的一切性質(zhì),當(dāng)光的振動(dòng)矢量末端隨時(shí)間呈規(guī)律性變化時(shí),光為偏振光,并具備特定場(chǎng)景測(cè)量和成像過程的建模能力。偏振測(cè)量與成像技術(shù)主要有兩方面的優(yōu)勢(shì): 一是偏振具有在散射介質(zhì)和雜散光環(huán)境中較強(qiáng)的特性保持能力,有助于提升成像過程的抗干擾程度[23];二是圖像可提取成像目標(biāo)特定的、與偏振相關(guān)的屬性,可進(jìn)一步推斷目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征和理化性質(zhì)[24]。以偏振在生物組織成像領(lǐng)域的應(yīng)用為例,一方面,生物組織浸沒于強(qiáng)散射介質(zhì),導(dǎo)致目標(biāo)輻射光進(jìn)入相機(jī)時(shí),光的偏振特性發(fā)生退化(退偏)。因此,可設(shè)計(jì)偏振態(tài)的“門控機(jī)制”以區(qū)分未散射光與多重散射光,從而提升圖像質(zhì)量[25-26]。另一方面,生物組織的偏振調(diào)制特性包含有豐富的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能信息,通過測(cè)量其輻射光的偏振參數(shù)可對(duì)組織區(qū)域?qū)嵤┒ㄐ曰蚨康姆治龊驮\斷[27-28]。除生命科學(xué)領(lǐng)域,偏振光學(xué)技術(shù)在去霧成像[29-30]、工業(yè)檢測(cè)[31]和立體顯示[32]等場(chǎng)景都有成熟的應(yīng)用。而在海洋光學(xué)領(lǐng)域,偏振同樣具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值: 偏振光學(xué)技術(shù)能夠在一定程度上提升水下和大氣散射成像的圖像質(zhì)量[33],部分生物捕食者甚至進(jìn)化出偏振視覺[34];海洋場(chǎng)景中感興趣的艦船尾跡、溢油和魚群等目標(biāo)均可實(shí)施偏振信息的獲取以分析相應(yīng)特性[35-36]。

文中將對(duì)海洋生物水下原位監(jiān)測(cè)技術(shù)中涉及偏振測(cè)量與成像的工作進(jìn)行回顧。結(jié)合偏振技術(shù)引入的動(dòng)機(jī)、模型、方法和目標(biāo),具體從海洋環(huán)境觀測(cè)和海洋生物觀測(cè)兩方面展開,闡述各工作在技術(shù)水平提升和科學(xué)問題解決等方面做出的貢獻(xiàn),同時(shí)對(duì)相關(guān)方向存在的問題和技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 偏振測(cè)量與成像模型

光的偏振可建模為光的振動(dòng)矢量在垂直于其傳播方向的平面上兩正交分量的合成[37],即

振動(dòng)分量具有特定的振幅比例和相位差值δ=φx-φy,可建模為常規(guī)的橢圓方程,在此情況下,偏振矢量的軌跡為橢圓,偏振光為橢圓偏振光。當(dāng)振幅和相位差取特定值時(shí),橢圓偏振光變?yōu)樘厥獾木€偏振光(δ為 π的整數(shù)倍)或圓偏振光(Ex=Ey,且 δ為π/2的奇數(shù)倍)。同時(shí),相位差是具有正負(fù)取向的,并以此區(qū)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應(yīng),其振動(dòng)矢量末端的運(yùn)動(dòng)軌跡是無規(guī)律的。因此,可根據(jù)光的偏振分量所占比例,定義完全無偏振分量的自然光、部分偏振光和完全偏振光,并使用偏振度參數(shù)進(jìn)行量化。

成像介質(zhì)和成像目標(biāo)的偏振特性研究就是通過調(diào)制光的上述偏振參數(shù)來展開的,這也是偏振測(cè)量和成像的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。常用的數(shù)學(xué)模型包含瓊斯(Jones)分析模型[38]和穆勒(Mueller)分析模型[39]。在瓊斯模型中,被調(diào)制的偏振光建模為式(1)中的二維列向量,使用復(fù)數(shù)直接表示兩正交方向振動(dòng)矢量的振幅和相位值,并采用2×2 的瓊斯矩陣G表示偏振向量的調(diào)制過程,同時(shí)輸出新的偏振狀態(tài)

瓊斯分析模型具有簡(jiǎn)潔明了的表達(dá)形式,并且可對(duì)相干光的疊加實(shí)現(xiàn)靈活處理,但其只能表征完全偏振光的傳播和調(diào)制過程,未考慮普遍存在的退偏效應(yīng)。

進(jìn)一步地,穆勒分析模型對(duì)偏振過程進(jìn)行了更全面的建模。在此情況下,光被建模為如式(3)所示的四維斯托克斯(Stokes)矢量

式中:I為總光強(qiáng);Q為0°和90°方向偏振分量的強(qiáng)度差值;U為45°和135°方向偏振分量的強(qiáng)度差值;V為左旋和右旋偏振分量的強(qiáng)度差值。

在該矢量中,非偏振分量SN和偏振分量SP可由I和其他元素的計(jì)算關(guān)系表示

因此,斯托克斯矢量對(duì)光的偏振屬性具有更泛化的表征能力,對(duì)單色光和非單色光、偏振光和部分偏振光都可進(jìn)行表述。

類似的,4×4 的穆勒矩陣M可用于偏振調(diào)制的表征,即

式中,Si和So分別為輸入和輸出的斯托克斯矢量。

穆勒矩陣包含了介質(zhì)和目標(biāo)極為全面的偏振屬性,而其16 個(gè)陣元卻并不能直接反映明顯的物理意義和結(jié)構(gòu)特性。因此,研究者們根據(jù)不同問題的需求設(shè)計(jì)了穆勒矩陣特定的計(jì)算表達(dá)方式[40-41],以提升模型物理含義的顯著程度。

式(6)為穆勒矩陣極化分解方法的簡(jiǎn)易形式[42],其將偏振調(diào)制效應(yīng)的總矩陣M分解為3 個(gè)子矩陣MD,MR和MΔ的矩陣乘積,分別代表偏振調(diào)制的二向色性、相位延遲和退偏過程。

在矩陣運(yùn)算過程中,乘法的先后順序具有不可交換性,因此針對(duì)不同分解順序的研究也被提出,以適用于各向異性透明介質(zhì)等更為廣泛的場(chǎng)景[43]。除乘法分解外,何宏輝等[44]提出一套針對(duì)穆勒矩陣的變換方法,針對(duì)介質(zhì)顆粒設(shè)計(jì)球柱散射模型,使用穆勒陣元擬合參數(shù)反演光學(xué)介質(zhì)的散射粒徑和各項(xiàng)異性等特征。

偏振測(cè)量和成像系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為如圖2 所示的起偏器和檢偏器的級(jí)聯(lián)組合。起偏器和檢偏器關(guān)鍵的偏振計(jì)算器件為偏振片和波片。偏振片對(duì)某特定方向的偏振分量具有選通作用,最終結(jié)果是改變偏振分量在兩正交方向上分布Ex和Ey的相對(duì)大小。波片對(duì)正交方向的振動(dòng)具有不同的折射效應(yīng),由此導(dǎo)致兩方向不用程度的相位延遲,最終結(jié)果是改變兩正交偏振分量的相位差值δ。偏振測(cè)量通過不同起偏和檢偏方式的組合計(jì)算樣品的瓊斯或穆勒矩陣,從而記錄樣品的理化屬性和結(jié)構(gòu)特征。同樣適用于偏振成像,起偏部分可視為照明光路,檢偏部分可視為成像光路,偏振門控[45]、偏振差分[46]、偏振三維[47]和偏振目標(biāo)檢測(cè)[48]等常見的偏振成像方法都可表示為該基礎(chǔ)框架的衍生。

2 面向海洋環(huán)境的偏振觀測(cè)

偏振測(cè)量和成像可以在很大程度上反演光在通過介質(zhì)或經(jīng)目標(biāo)后被調(diào)制的物理過程,這適用于在海洋環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)圍繞水體為核心的理化性質(zhì)和動(dòng)態(tài)事件進(jìn)行的探測(cè),實(shí)現(xiàn)面向地理特征、生態(tài)環(huán)境和人類活動(dòng)的科學(xué)監(jiān)測(cè)任務(wù)。

在宏觀層面,研究者們通過偏振光學(xué)技術(shù)建立海洋偏振光場(chǎng),對(duì)水體的物理信息展開研究。Zappa等[49]提出一種基于偏振斜率傳感的被動(dòng)光學(xué)遙感技術(shù),利用成像表面法方向與反射光偏振態(tài)的關(guān)系反演當(dāng)前視場(chǎng)的瞬時(shí)二維斜率,以斜坡圖的形式恢復(fù)水面的形狀信息,同時(shí),通過流體短引力波恢復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。Tonizzo 等[50]使用高光譜相機(jī)結(jié)合多角度偏振測(cè)量?jī)x對(duì)沿海水域的偏振光場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與蒙特卡洛方法仿真得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了數(shù)值的一致性,這說明了偏振在以沿海水域?yàn)榇淼膹?fù)雜光場(chǎng)環(huán)境的應(yīng)用潛力。You 等[51]研發(fā)了一套用于仿真動(dòng)態(tài)海洋表面下偏振光場(chǎng)的數(shù)值模型,該模型結(jié)合三維蒙特卡洛方法和矩陣算子法,能夠有效地仿真動(dòng)態(tài)?？战缑?將水的光學(xué)性質(zhì)、波傾角和偏振光場(chǎng)緊密連接起來。Foster 等[52]論述了將偏振態(tài)作為額外遙感信息模態(tài)的必要性,并提出基于海面觀測(cè)來確定水下偏振光場(chǎng)的思想,采用矢量輻射傳輸結(jié)合蒙特卡羅分析的方法來確定風(fēng)驅(qū)動(dòng)海洋表面的偏振光傳輸函數(shù),豐富了洋面氣象觀測(cè)的技術(shù)手段和原始數(shù)據(jù)。

針對(duì)海洋環(huán)境感興趣的目標(biāo)或事件,偏振觀測(cè)方法不但提高了監(jiān)測(cè)的效率和精度,更可精細(xì)化地協(xié)調(diào)人類活動(dòng)和海洋環(huán)境的交互關(guān)系。Li 等[53]使用混合極化架構(gòu)的合成孔徑雷達(dá)對(duì)洋面溢油進(jìn)行了探測(cè),通過斯托克斯矢量的第二項(xiàng)精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)信息的增強(qiáng)。Guan 等[54]通過對(duì)東海和黃海海域白天、夜間和黃昏等多時(shí)間段天空光偏振分布的測(cè)量數(shù)據(jù),證明了船舶和無人機(jī)系統(tǒng)利用海面天光的偏振信息進(jìn)行導(dǎo)航的可行性。Xue 等[55]研究了海洋航行艦船的尾跡對(duì)洋面反射光偏振態(tài)的改變效應(yīng),并通過偏振成像的方式增強(qiáng)了目標(biāo)尾跡的對(duì)比度,說明了偏振成像在軍事敏感目標(biāo)探測(cè)上的應(yīng)用潛力。

在相對(duì)微觀的環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中,偏振信息同樣作為研究中重要的光學(xué)指標(biāo)被關(guān)注。對(duì)介質(zhì)散射光的測(cè)量被廣泛用作獲取海水屬性和內(nèi)容微粒性質(zhì)的重要手段,Beardsley 等[56]首次關(guān)注了散射測(cè)量中的偏振問題,在美國(guó)波士頓港、新英格蘭沿海、北大西洋及查爾斯河等4 個(gè)水域?qū)Ｋ哪吕站仃囘M(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果顯示所述水域樣本的穆勒矩陣具有歸一化瑞利近似矩陣的一般性形式和強(qiáng)對(duì)稱性。Kadyshevich 等[57]用相同的方法對(duì)黑海、太平洋和大西洋等海域進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,研究了穆勒矩陣陣元與取樣海水位置深度的關(guān)系。后續(xù),Voss 等[58]在海水的穆勒矩陣測(cè)量中總結(jié)出陣元分布的一般形式,提出在誤差范圍內(nèi)盡量簡(jiǎn)潔的海洋偏振特性表達(dá)方式。同樣,海洋水體中光的偏振傳遞也作為重要的研究對(duì)象,例如Shashar等[59]對(duì)線偏光的傳輸進(jìn)行了研究,充分研究了前向散射、后向散射和生物目標(biāo)對(duì)偏振態(tài)的影響。

3 面向海洋生物的偏振觀測(cè)

面向海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究有助于把握科學(xué)且可持續(xù)的海洋環(huán)境管理模式,而相比水體、波浪和顆粒物等自然因素,海洋生物所具備的理化信息和結(jié)構(gòu)特征更為明顯也更為復(fù)雜。

3.1 成像維度拓展

偏振光學(xué)具有良好兼容性,即可與傳統(tǒng)的光學(xué)成像方法進(jìn)行結(jié)合,并在原有光路中加入偏振調(diào)制和檢測(cè)的功能模塊以進(jìn)行綜合高效的觀測(cè)任務(wù),實(shí)現(xiàn)偏振測(cè)量和成像技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)感知的拓展。從圖像計(jì)算的角度來說,偏振領(lǐng)域的斯托克斯矢量和偏振度等參數(shù)均可對(duì)現(xiàn)有成像信息進(jìn)行拓展。

在最原始的階段,偏振成像技術(shù)并不涉及偏振態(tài)的測(cè)量過程,而是僅僅將其作為定性判別的工具。交叉偏振是典型的成像方法,即在照明端和成像端分別布置2 個(gè)方向相互垂直的線偏振片,并由照明端偏振片產(chǎn)生線偏振光,在偏振態(tài)未受調(diào)制時(shí),無光學(xué)信號(hào)輸出;當(dāng)偏振光受調(diào)制改變偏振態(tài)后,才能檢測(cè)出調(diào)制目標(biāo)的信號(hào)。例如,Johnson[60]基于鈣質(zhì)骨架的浮游動(dòng)物具有雙折射效應(yīng)的特性,使用交叉偏振顯微鏡加強(qiáng)斑馬貽貝的探測(cè)和計(jì)數(shù),其成像效果如圖3 所示。交叉偏振的方法能夠通過偏振特性的有無實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)成像目標(biāo)的區(qū)分,但單純的交叉偏振方法也僅局限于雙折射效應(yīng)敏感的目標(biāo),具有很大的局限性,無法評(píng)估偏振的綜合效應(yīng)。

圖3 偏振光照明成像(左)與交叉偏振成像(右)效果對(duì)比[60]Fig.3 IImaging comparison of polarized light illumination(left) and cross-polarized illumination (right)[60]

Otani 等[61]在水下原位監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中引入了全斯托克斯向量的偏振成像機(jī)制。其成像目標(biāo)為透明度較高、視覺顯著度不強(qiáng)的水中微塑料,完成了基于豐度統(tǒng)計(jì)的可視化和定量分析,并記錄了豐年蝦對(duì)微塑料顆粒的攝入過程。相對(duì)于使用交叉偏振方法識(shí)別具有雙折射特性的微塑料,全斯托克斯向量的成像能夠較為全面地評(píng)估偏振調(diào)制的性質(zhì),將交叉偏振遺漏的諸如旋光性的目標(biāo)進(jìn)行感知。Kagel 等[62]從研究海洋生物的偏振視覺出發(fā),使用偏振相機(jī)針對(duì)凝膠狀浮游動(dòng)物和塑料袋進(jìn)行了原位成像和偏振特性測(cè)量,通過偏振技術(shù)在成像維度上的擴(kuò)展(線偏振度、偏振角等圖像,如圖4 所示),強(qiáng)化了對(duì)于海洋生物偏振視覺的理解,在一定程度上解釋了部分捕食者對(duì)于塑料顆粒物具有更高攝入概率的現(xiàn)象。

圖4 塑料目標(biāo)和櫛水母的原位偏振圖像[62]Fig.4 In-situ polarization images of plastic bags and Ctenophora[62]

偏振測(cè)量和偏振成像的技術(shù)不僅兼容于傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng),如偏振顯微鏡[63],其同樣兼容于相對(duì)復(fù)雜的光學(xué)方法,典型的應(yīng)用有偏振敏感光學(xué)投影斷層掃描[64]、熒光偏振技術(shù)[65]及偏振敏感光學(xué)相干層析[66]等。以熒光偏振測(cè)量為例,相對(duì)于傳統(tǒng)的熒光測(cè)量系統(tǒng),熒光偏振測(cè)量系統(tǒng)用偏振器件調(diào)制激發(fā)光源,在分離熒光信息后對(duì)熒光的偏振信息進(jìn)行檢測(cè),如圖5 所示?；谶@一流程進(jìn)行成像的熒光偏振顯微鏡是生物領(lǐng)域常用的工具[67]。Otero 等[68]將直接熒光偏振分析法用于貽貝的螺旋內(nèi)酯檢測(cè)和定量分析?；谶@一系列應(yīng)用,可以預(yù)想,將具有良好硬件兼容性的偏振技術(shù)更廣泛地與現(xiàn)有的水下光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合是未來可能的應(yīng)用方向。

圖5 傳統(tǒng)熒光測(cè)量系統(tǒng)(左)和熒光偏振測(cè)量系統(tǒng)(右)示意圖Fig.5 Illustration of traditional fluorescence imaging system (left) and fluorescence polarization imaging system (right)

3.2 基于偏振信息的目標(biāo)檢測(cè)

在前文的研究中,偏振信息的意義基本停留在其光學(xué)意義本身,或單純定性地判定成像目標(biāo)偏振特性的有無(例如交叉偏振),是在較淺層面上應(yīng)用光的偏振態(tài)信息。而光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量的是被觀測(cè)目標(biāo)調(diào)制后的光信號(hào),因此光信號(hào)的偏振態(tài)特征在一定程度上是目標(biāo)特征的體現(xiàn),同時(shí)偏振態(tài)作為獨(dú)立于頻率、振幅、傳播方向及相位等傳統(tǒng)非偏振光學(xué)系統(tǒng)敏感參數(shù)的另一維度信息,其可能包含非偏振光學(xué)方法所忽略的信息;并且由于成像目標(biāo)的偏振特性與諸多物理參數(shù)有關(guān),從偏振信息中導(dǎo)出觀測(cè)目標(biāo)的其他特征是可能的。因此,偏振維度上的拓展信息可以完成傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)識(shí)別和分類?；谶@一點(diǎn),研究者們嘗試將偏振光學(xué)方法應(yīng)用于海洋領(lǐng)域,以提升目標(biāo)檢測(cè)和分類的精度。

早 在1989 年,Quinby-Hunt 等[69]就對(duì)小球藻的偏振光散射特性進(jìn)行了研究,提出藻類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和折射率等參數(shù)與其偏振特性可能存在相關(guān)性,為使用偏振技術(shù)識(shí)別海洋中的藻類等微粒提出了可能性。Wang 等[70]提出了一種偏振光散射法,用于區(qū)分具有不同微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的懸浮粒子,即使用偏振光照射懸浮粒子,并測(cè)量120°散射光的偏振態(tài)。該研究分別對(duì)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類等多種粒子散射光束的偏振態(tài)進(jìn)行了測(cè)量,將測(cè)量得到的斯托克斯矢量用總光強(qiáng)進(jìn)行歸一化,最后通過線性判別分析法將斯托克斯矢量的多個(gè)分量參數(shù)轉(zhuǎn)化為一維參數(shù),其部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示,圖中q,u,v為歸一化的斯托克斯矢量分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于散射光的偏振態(tài)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意2 種粒子的區(qū)分,這也證明了通過成像目標(biāo)的偏振信息進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的可行性。

圖6 具有不同粒徑和折射率的微粒歸一化偏振光散射信號(hào)Fig.6 Normalized polarized light scattering signals of microspheres with different diameters and refractive indices

研究已知,成像目標(biāo)的偏振信息是通過光源經(jīng)目標(biāo)后的偏振態(tài)來體現(xiàn)的。而在一個(gè)偏振測(cè)量系統(tǒng)中,出射光的偏振態(tài)是入射光的偏振態(tài)經(jīng)過成像目標(biāo)改變后的結(jié)果,其受到照明方式的影響,不能純粹地體現(xiàn)成像目標(biāo)的性質(zhì)。而穆勒矩陣表征的是成像目標(biāo)對(duì)于光的偏振態(tài)的改變作用,其僅為成像目標(biāo)偏振特性的函數(shù),不受其他因素影響,因此,測(cè)量穆勒矩陣能夠直觀地獲得成像目標(biāo)的偏振信息。

Svensen 等[71]測(cè)量了11 種藻類的完整穆勒矩陣,并與球體散射模擬的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。該研究不但擴(kuò)充了藻類的偏振數(shù)據(jù),研究結(jié)果也表明不同藻類穆勒矩陣的特定陣元存在差異,基于穆勒矩陣的偏振光傳輸模型進(jìn)行藻類物種區(qū)分具有可能性。Li 等[72]提出了微粒穆勒矩陣測(cè)量法,并嘗試將其應(yīng)用于區(qū)分海洋中懸浮的微塑料顆粒。穆勒矩陣在一定程度上能夠體現(xiàn)粒子的形狀、大小、結(jié)構(gòu)及折射率等一系列特性。其中,折射率是懸浮粒子的一種重要特征,與其材料有關(guān),這一特征可以從穆勒矩陣中導(dǎo)出。該研究測(cè)量了不同微粒的穆勒矩陣,從中導(dǎo)出了測(cè)量微粒的折射率,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)藻類、微塑料顆粒、砂粒等多種具有不同折射率的懸浮顆粒的區(qū)分,進(jìn)一步結(jié)合完整穆勒矩陣的其余信息,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同微塑料顆粒的區(qū)分。該研究結(jié)果體現(xiàn)了基于穆勒矩陣的偏振光傳輸模型在海洋中的應(yīng)用價(jià)值,并且也提供了如何開發(fā)偏振信息的一條思路——將偏振信息轉(zhuǎn)化為具有明確意義的特征。偏振信息與成像目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特性和物理參數(shù)具有一定的聯(lián)系,但相當(dāng)一部分參數(shù)之間的具體關(guān)聯(lián)形式實(shí)際上并不明確。以穆勒矩陣為例,其具有16 個(gè)陣元,包含了成像目標(biāo)完整的偏振信息,但其背后具體的物理意義并不明確。目前仍需要針對(duì)海洋中觀測(cè)目標(biāo)的偏振特性進(jìn)行更廣泛的測(cè)量,并嘗試找到偏振參數(shù)與觀測(cè)目標(biāo)各項(xiàng)特征之間的聯(lián)系,建立相應(yīng)模型,通過偏振測(cè)量這樣一種光學(xué)測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)其他物理量的測(cè)量,從而拓展水下光學(xué)儀器的測(cè)量廣度和維度,而觀測(cè)手段的提升也必然提升海洋監(jiān)控和管理的精確性。

3.3 生物生理和化學(xué)特性感知

偏振參數(shù)不僅具有被轉(zhuǎn)換為成像目標(biāo)的物理特征,針對(duì)生物的偏振測(cè)量和成像系統(tǒng),光的偏振信息還可被進(jìn)一步處理,實(shí)現(xiàn)從偏振信息到生理特征的飛躍。

早期一些針對(duì)海洋藻類的研究將偏振的方法應(yīng)用于藻類的生化特性分析,例如基于果膠、纖維素和幾丁質(zhì)等物質(zhì)不同的偏振特性(如雙折射特性的有無),用光學(xué)方法結(jié)合一定的化學(xué)方法分析不同藻類的細(xì)胞壁成分,此類研究體現(xiàn)了將偏振方法用于分析藻類生理特征的可行性。Wang 等[73]提出了一種用偏振光散射信息來表征藻類生理狀態(tài)的方法——使用6 種不同入射偏振光照明,測(cè)量散射信號(hào)并將偏振光散射信號(hào)用歸一化的斯托克斯矢量進(jìn)行表述,最后采用線性判別分析法實(shí)現(xiàn)藻類狀態(tài)的區(qū)分。對(duì)2 種海洋微型藻類(Chattonella marina 和Scrippsiella trochoidea)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了該方法的有效性和應(yīng)用潛力,測(cè)量結(jié)果的一部分如圖7 所示(連續(xù)數(shù)日內(nèi)測(cè)量Chattonella marina懸液的散射光強(qiáng)和偏振信號(hào),數(shù)值結(jié)果已進(jìn)行歸一化)。該研究表明,海洋藻類的形狀及微觀結(jié)構(gòu)與其偏振特性存在聯(lián)系,用偏振光學(xué)方法能夠表征藻類的生理狀態(tài)。這也為海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一種新的發(fā)展道路,即偏振信息能否對(duì)其他海洋生物的生理狀態(tài)進(jìn)行表征。相對(duì)于其他生理分析手段,使用偏振技術(shù)可以發(fā)揮光學(xué)方法在生物領(lǐng)域所特有的非標(biāo)記、無損傷等優(yōu)點(diǎn),并且光學(xué)成像方法能夠達(dá)到亞細(xì)胞級(jí)的分辨率,實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋中微觀生物的觀測(cè)。

圖7 Chattonella marina 樣品在數(shù)日內(nèi)的散射光強(qiáng)和偏振信號(hào)對(duì)比圖[73]Fig.7 Comparison of scattered light intensity and polarization signal of Chattonella marina sample over several days[73]

偏振技術(shù)在生物領(lǐng)域,尤其是病理學(xué)領(lǐng)域,可用于分析處理生物的生理狀態(tài)或者化學(xué)特性,例如生物分子的手性[74]、淺層組織中癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的區(qū)分[75]、乳腺癌細(xì)胞膠原蛋白的結(jié)構(gòu)[76]等。在海洋生物領(lǐng)域開發(fā)此類應(yīng)用場(chǎng)景,可以通過光學(xué)方法的非標(biāo)記、無損傷及高時(shí)空分辨等特點(diǎn)加強(qiáng)針對(duì)海洋生物的分析診斷能力,從而提升海洋生態(tài)管理能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)海洋光學(xué)領(lǐng)域中偏振測(cè)量和成像技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié),從海洋環(huán)境和海洋生物觀測(cè)兩個(gè)層面對(duì)其進(jìn)行了梳理,并著重討論了偏振技術(shù)在海洋生物觀測(cè)領(lǐng)域未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

偏振光學(xué)方法作為非偏振光學(xué)方法的擴(kuò)展,其硬件兼容于現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng),可以升級(jí)現(xiàn)有海洋光學(xué)儀器,拓寬現(xiàn)有測(cè)量手段的維度。但偏振光測(cè)量和成像技術(shù)在走向海洋生物領(lǐng)域更多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的過程中,還面臨許多問題。首先,無論是用偏振信息表征海洋生物或者其他微觀粒子的結(jié)構(gòu)特征、物理參數(shù)或是生理特性,都需要對(duì)這些觀測(cè)目標(biāo)的偏振特性進(jìn)行詳盡的研究,而目前海洋生物以及其他非生命物質(zhì)的偏振數(shù)據(jù)還有待擴(kuò)充。其次,偏振參數(shù)所具有的意義并不明確,以穆勒矩陣為例,其16 個(gè)陣元的意義并不直觀,且存在大量信息冗余。而這需要對(duì)海洋生物的生理特性和偏振特性進(jìn)行更詳盡的研究,并建立從偏振信息到不同海洋物種的生理狀態(tài)的映射。逐步建立足夠的海洋生物偏振數(shù)據(jù)庫(kù),將偏振光學(xué)測(cè)量和分析的系統(tǒng)部署于水下原位監(jiān)測(cè)場(chǎng)景,增加和豐富原位監(jiān)測(cè)手段的評(píng)估指標(biāo),不光能夠?qū)Ｑ笊锏拿芏?、豐度等數(shù)值進(jìn)行評(píng)估,同時(shí)能夠在更為微觀的層面上評(píng)價(jià)不同生命個(gè)體的生理狀態(tài),從而極大地提升海洋監(jiān)管的合理性和準(zhǔn)確性。

基于這些問題,面向海洋生物水下原位監(jiān)測(cè)預(yù)期將發(fā)展以下偏振測(cè)量和成像技術(shù): 1) 對(duì)海洋中諸多觀測(cè)目標(biāo)偏振特性作更為詳盡的研究,建立完備的海洋生物偏振數(shù)據(jù)集;2) 明確偏振參數(shù)的物理意義,建立從偏振信息到物理信息和生理信息的映射,對(duì)偏振光傳輸過程進(jìn)行準(zhǔn)確建模,使偏振信息準(zhǔn)確反映觀測(cè)目標(biāo)的各種特征;3) 面臨水下原位監(jiān)測(cè)這一復(fù)雜多變的場(chǎng)景,還需要解決諸如運(yùn)動(dòng)模糊、離焦模糊和近岸渾濁海域的雜質(zhì)干擾等實(shí)際存在的工程問題;4) 測(cè)量?jī)x器的小型化、快速化、集成化、抗干擾以及測(cè)量流程的優(yōu)化也是未來重要的發(fā)展方向。