基于5G網絡和水下成像技術的水域物證勘查設備應用研究

石璐 江傳光

摘要：水域物證勘查工作存在設備簡陋、技術落后及效率低下等業界困境。基于激光成像技術及5G網絡通信技術的發展，文章探索在空曠水域環境下，如何將先進的水下成像技術與5G網絡700 MHz頻段的廣域覆蓋能力相結合，實現高效、便捷的水域物證搜尋和圖像信息在水陸間的實時傳送。在信息技術與通信技術的深度融合下，新一代水下成像設備的成功研制與應用，為水域物證勘查工作的順利開展提供了創新應用場景與發展思路。

關鍵詞：水域物證勘查； 水下成像； 光學成； 700 MHz通信

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

0 引言

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

本研究項目與公安基層現勘團隊開展合作，通過將水下光學成像技術引入現場勘查工作，發現水下物證搜尋應用場景下需要解決的技術難題，提出相應的解決、改進方案。針對海洋及內陸江河湖泊的復雜環境特征，在現有技術的基礎上，通過優化裝置端的軟、硬件系統，研制出新一代水下成像設備，該設備可以滿足公安機關案件現場勘查條件，實現水下清晰成像、水下目標探測、水底地形勘查等功能。

1 水域物證勘查現狀

偵查機關到達水域犯罪現場后，通過設置警戒線和告示牌劃定現場保護范圍，由專業技偵人員穿戴防水裝備或乘坐打撈船只，攜帶專業打撈設備及相機等取證設備至現場開展物證勘查工作。受水域環境及軟、硬件設備與技術的限制，現場勘查工作存在以下難點。

（1）水下物證搜尋工作精準性差。面對復雜的水域情況，特別是渾濁的水下環境，傳統的“蛙人”和打撈機械很難精準地實現現場物證搜尋、采證。當水下成像條件較差，無篩選、無差別的物品打撈容易造成有效證據損壞或遺漏，對辦案資源也是一種低價值消耗和浪費。真實的自然水體富含各種泥沙顆粒、微生物等雜質，光在這類水體環境中傳播是一個十分復雜的物理過程，其能量的衰減速度比在空氣中傳播強數百倍，還會增加許多無用的噪聲信息。克服水對光的復雜物理作用，是獲得遠距離、高質量水下視頻圖像的關鍵技術難點。

（2）現場搜證水陸聯動時效性弱。受制于水域信號覆蓋條件，現場勘查工作對設備的本地存儲能力和實操人員的經驗、技術有較高的要求。現場勘查工作形成的視像文件無法與陸地實現實時傳輸，需要先在本地存儲，只有返回陸地后，才能下載后進行下一步的分析研判。水域的通信傳輸對無線網絡的性能的要求較高，由于不能選址建站且供電和敷設光纜的成本極高，因此江河湖海等區域幾乎沒有可用的站點資源。基站覆蓋能力有限，只能保障離岸約10 km的范圍內有較好的語音和數據業務體驗；隨著離岸距離增加，網絡覆蓋率和質量隨之降低，離岸約30 km后，海域通信主要依靠衛星和海岸基站有限的覆蓋能力，不僅信號差且資費較貴。

2 新型水下成像設備研究與應用

我國內陸淡水水體和沿海近岸水體的水質較差，常規的成像手段無法獲得清晰圖像，本項目研制出一種基于光學成像技術的水下成像設備，實現在渾水中“看得見”，在清水中“看得遠”的效果。該裝置通過多項核心技術創新攻關及軟硬件配置升級，提升了水下環境勘查中的實物成像質量，同時實現了水域與陸地間的實時回傳與互動。

2.1 水下成像技術難點攻克

（1）采用新型光學系統調制手段，減少散射噪聲的產生和噪聲信息的接收。在水下主動成像設備研發解決方案中，光源的光學特征是影響成像設備接收散射噪聲量的一個重要因素。成像設備接收到的后向散射光噪聲來自光束和成像設備視場交疊區域的水體。后向散射光不包含任何目標信息，其非均勻的強度分布導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范圍，將有用目標信號淹沒于后向散射噪聲中［4］。在渾濁水域，噪聲的影響特別嚴重，是限制成像設備探測距離和識別概率的決定性因素。設備采用新型光學系統調制，減少照明光束產生的散射噪聲，避免接收系統接收多余的噪聲信息。相比一般的水下電視，本設備無論在清水還是渾濁水質，都有更遠的成像距離和更高的成像質量。

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

（3）利用水下成像理論模型進行詳細的信噪比計算，得到最優的系統結構。在相關理論計算的指導下進行便攜性成像設備的系統結構優化，進一步規避后向散射噪聲，提高系統的續航能力和可操作性。噪聲散射抑制后向散射噪聲的效果一般，圖像的霧感強烈，而經過結構優化的系統，圖像對比度增強，而且物品的成像細節更加清晰。

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

（5）實現遠距離圖像信息重現。為提高超過3倍視距的成像效果，系統利用激光調制圖案與目標回波信號能量的相關性，摒棄回波信號的空間信息，轉而接收少數的能量；利用數個能量值與調制圖案兩者關聯的特性，應用機器學習算法將圖像信息重現。該方式不僅可以提供遠距離微弱信號的圖像，還可以重現遠距離圖像信息。

2.2 網絡覆蓋實現途徑

受制于水域地理環境的影響，物證勘察工作中的圖像回傳對于無線網絡的覆蓋范圍和傳輸性能有較高的要求。隨著5G網絡環境的全面升級和700 MHz頻段資源的正式商用，水域物證勘察等相關應用技術進入全新的時代。5G網絡具有大帶寬、廣連接、低時延、高可靠等特性，而700 MHz頻段相比傳統的5G無線頻段，具有覆蓋深度和廣度方面的優勢。

在進行5G網絡基站建設時，使用的頻段越高，基站覆蓋的半徑就越小，如要達到連續覆蓋，基站建設的投入成本就會很高。基站選址對地理環境也有要求，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），它的優點是頻率低、覆蓋距離遠、繞射能力強、信號穿透能力強、組網成本低。700 MHz網絡能夠有效補足近海的5G信號覆蓋，在近海養殖，濱海旅游、客運，漁政、海事執法，海上風電，深海養殖，遠海捕撈、航運、科考等場景已經有了深度的應用。根據理論測算及實景驗證，700 MHz頻段已經實現了近海超100 km的覆蓋范圍。

2.3 圖像傳輸實現途徑

在開展水域物證勘察工作過程中，通過勘察設備端加載的CPE無線終端接入設備及700 MHz的5G無線網絡傳輸方式，能夠實時回傳現場勘查圖像信息，降低本地存儲資源成本。成像設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生設備，具備藍牙及無線網絡接入能力。實操人員可通過手機App端實時查看水下視像信息，并通過外置CPE裝置配合插拔式物聯網卡，實現本地視像的實時回傳，與陸地技偵單位及人員取得實時互動，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 應用效果分析

對本項目研制的高性能水下激光成像設備（見圖1）所獲得的水下光學圖像進行分析發現，相比傳統的水下成像設備，本設備具有更遠的成像距離和更高的成像質量，尤其可以解決傳統設備在渾濁水質中難以成像的問題。相比國外先進的產品，該成像設備體積更小、功耗更低、成像效果更好、成本更低。外場測試中，在較差水質下，本設備基本實現了2～3倍視距的成像距離，成像質量較高，可見河底的信息，低反射率的泥沙仍然能看出細節。實驗表明，成像的清晰度完全可以進行人眼甚至機器分辨。

在基于700 MHz網絡的圖像回傳功能驗證中，通過搭載如圖2所示的5G CPE 終端通信，實測離岸網絡傳輸能力在30 km處可滿足系統通信要求。成像設備拍攝的圖像通過5G網絡實現高質量回傳路徑如圖3所示。

4 結語

基于5G網絡覆蓋下的水域物證勘察技術的應用，有賴于新技術、新產品的研發和新勘察方式的融合。未來，提升設備成像穩定性和續航能力將會是成像產品設計與性能優化的重點方向。此外，為提高現場工作效率和圖像回傳質量，相應的5G CPE與模組的選型及適配，也會是產品主流供應商和相關產業生態關注的重點。相信隨著產業生態規模的壯大和不斷深入的研究探索，新技術、新產品的出現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。

5 參考文獻

［1］張念宏.海上油污刑事責任研究［D］.上海：華東政法大學，2017.

［2］鮑富成.水下偏振成像及圖像處理方法研究［D］.長春：長春理工大學，2019.

［3］程虎.水下環境多參數測量及三維成像的方法研究與系統設計［D］.武漢：華中科技大學，2020.

［4］沈振民，趙彤，王云才，等.混沌脈沖激光雷達水下目標探測［J］.紅外與激光工程，2019，48（4）：116-122.

［5］曾海燕，鄭鑫.基于5G移動通信基站選址方法的探究［J］.智能計算機與應用，2020，10（5）：231-232，237.