可以從空中為水下測繪的機載雷射聲吶系統

2020-12-04 煎蛋

史丹福大學的工程師們開發了一種空中方法，通過將光和聲結合以突破似乎無法逾越的空氣和水的界面障礙，來對水下物體成像。

研究人員設想他們的混合光學聲系統將有一天被用於從空中進行基於無人機的生物海洋調查，搜索沉沒的船隻和失事飛機，並以近似於衛星繪製地圖的速度繪製海深圖。他們關於「光聲機載聲納系統」的論文最近發表在IEEE Access上。

「機載和星載雷達以及基於雷射的雷射雷達系統(LIDAR)數十年來被用於繪製地球的地形圖。雷達信號能夠穿透雲層和樹冠層。但是，海水的吸收性太強。」史丹福大學工程學院電氣工程學副教授Amin Arbabian說。「我們的目標是開發一種即使在渾濁的水中也能成像的更可靠的系統。」

海洋覆蓋了大約70％的地球表面，但目前僅對淺表部分進行了高解析度的成像和製圖。

主要障礙來自於物理學。例如，聲波會因在兩個介質交界面的反射而損失大部分(超過99.9％)的能量，所以無法從空氣傳播到水中，反之亦然。如果聲吶系統把聲波從空氣導入水中然後再傳回空氣中，這兩次能量損失，使信號強度降低了99.9999％。

同樣，電磁輻射(包括光，微波和雷達信號的總稱)也會損失能量，儘管其機理不同於聲波。

第一作者，史丹福大學電氣工程系的研究生Aidan Fitzpatrick解釋說：「光反射損失了一些能量，但是大部分能量損失是由於被水吸收了。」順便說句，這也是為什麼陽光無法達到海底以及智慧型手機無法在水下接聽電話。

所有這些的結果，迄今為止，大多數水下測繪都是通過將聲納系統安裝在拖曳船舶上來實現的。但是這一方法緩慢且昂貴，處理大面積區域時效率低下。

光聲機載聲納系統(PASS)將光和聲結合起來，穿過空氣——水界面。它的靈感源於之前的項目——使用微波對地下植物的根進行「非接觸式」成像和掃描。

從本質上講，PASS結合了聲音和電磁波的優點。「如果我們可以在光傳播良好的空中使用光，而在聲音傳播良好的水中使用聲波，則我們可以兼得兩全。」

為此，系統首先從空氣中向水域發射雷射。水分子吸收雷射後，產生了超聲波，超聲波向下傳播，觸底反射回水面。

當然，返回的聲波無法再轉化成光——所以，仍然元氣大傷。不過至少避免了雙重損失。

Arbabian說：「我們開發了一種足夠靈敏的系統，可以補償這種數量級的損失，且仍然可以進行信號檢測和成像。」

常規的聲納系統可以穿透數百至數千米的深度，研究人員預計他們的系統最終將能夠達到類似的深度。

迄今為止，PASS僅在實驗室中用大魚缸大小的容器進行了測試。「目前的實驗使用的是靜態水，但我們目前正在努力應對波浪。這是一個挑戰，但我們認為是可行的。」

研究人員說，下一步將是更大規模的測試，並最終在露天環境中測試。

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201130201958.htm

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