光声机载声纳系统结合了声音和声音以查看水下

一位艺术家演绎了一种声光机载声纳系统，该系统可通过无人机操作，以感测和成像水下物体。

可以在无人机下方安装“光声机载声纳系统”，以进行空中水下调查和对深海的高分辨率地图绘制。

斯坦福大学的工程师们开发了一种空中方法，可以通过将光和声结合以突破似乎无法逾越的空气和水界面的障碍，来对水下物体进行成像。

研究人员设想他们的混合光学声系统将有一天被用于从空中进行基于无人机的生物海洋调查，对沉没的船只和飞机进行大规模的空中搜索，并以相似的速度和水平绘制海深图。作为地球景观的细节。他们的“光声机载声纳系统”在IEEE Access杂志上发表的最新研究中有详细介绍。

“机载和星载雷达以及基于激光的激光雷达系统（LIDAR）数十年来一直能够绘制出地球的地形图。雷达信号甚至能够穿透云层和树冠层。斯坦福大学工程学院电气工程副教授阿敏·阿巴比安（Amin Arbabian）说。“我们的目标是开发一种即使在浑浊的水中也能成像的更强大的系统。”

能量损失

海洋覆盖了大约70％的地球表面，但是只有一小部分深度受到了高分辨率的成像和制图。

主要障碍与物理学有关：例如，声波不能通过从其他介质反射而损失最多（超过99.9％）的能量，而从空气进入水，反之亦然。一个试图使用声波从空气传播到水中然后再传播到空气中来查看水下的系统遭受了两次这种能量损失，导致能量减少了99.9999％。

同样，电磁辐射（包括光，微波和雷达信号的总称）在从一种物理介质传递到另一种物理介质时也会损失能量，尽管其机理不同于声音。研究的第一作者，斯坦福大学电气工程系研究生艾丹·菲茨帕特里克（Aidan Fitzpatrick）解释说：“光还通过反射损失了一些能量，但是大部分能量损失是由于被水吸收了。”顺便说一句，这种吸收也是为什么阳光无法穿透到海洋深处以及依赖蜂窝信号（一种电磁辐射形式）的智能手机无法在水下接听电话的原因。

实验室中的实验性光声机载声纳系统设置（左）。使用反射的超声波（右）以3D方式重建淹没在水下（中间）的斯坦福“ S”。

所有这一切的结果是，无法像陆地一样通过空中和太空对海洋进行制图。迄今为止，大多数水下测绘都是通过将声纳系统安装在拖曳给定兴趣区域的船舶上来实现的。但是该技术缓慢且昂贵，并且覆盖大面积区域效率低下。

一个看不见的拼图游戏

进入光声机载声纳系统（PASS），该系统将光和声结合起来，穿过空气-水界面。它的想法源于另一个项目，该项目使用微波对地下植物的根进行“非接触式”成像和表征。PASS的某些仪器最初是与斯坦福大学电气工程教授Butrus Khuri-Yakub的实验室合作设计的。

从本质上讲，PASS发挥了光和声音的独特优势。菲茨帕特里克说：“如果我们可以在光传播良好的空中使用光，而在声音传播良好的水中使用光，则我们可以同时兼顾两者，” Fitzpatrick说。

为此，系统首先从空气中发射激光，该激光在水面被吸收。吸收激光后，它会产生超声波，该超声波向下传播通过水柱，并反射回水下物体，然后再飞回水面。

返回的声波在破坏水面时仍会消耗掉大部分能量，但是通过用激光在水下产生声波，研究人员可以防止两次发生能量损失。

“我们已经开发了一种足够灵敏的系统，可以补偿这种数量级的损耗，并且仍然可以进行信号检测和成像，” Arbabian说。

动画显示了使用反射的超声波重新创建的水下物体的3D图像。

反射的超声波由称为换能器的仪器记录。然后使用软件将声音信号像看不见的拼图一样拼凑在一起，并重建淹没特征或物体的三维图像。

“与光通过水或比空气密度更高的任何介质时，光如何折射或'弯曲'相似，超声波也会折射，” Arbabian解释说。“我们的图像重建算法纠正了超声波从水传到空气中时发生的弯曲。”

无人机海洋调查

常规的声纳系统可以穿透数百至数千米的深度，研究人员预计他们的系统最终将能够达到类似的深度。

迄今为止，PASS仅在实验室中用大鱼缸大小的容器进行了测试。Fitzpatrick说：“目前的实验使用的是静态水，但我们目前正在努力应对水浪。”“这是一个挑战，但我们认为是可行的问题。”

研究人员说，下一步将是在更大的环境中进行测试，并最终在露天环境中进行测试。

Fitzpatrick说：“我们对这种技术的愿景是在直升机或无人驾驶飞机上。”“我们希望该系统能够在水面数十米的高度飞行。”

参考：艾丹·菲茨帕特里克（Aidan Fitzpatrick），阿贾伊·辛格维（Ajay Singhvi）和阿明·阿巴比安（Amin Arbabian）于2020年10月16日发表的IEEE Explore.DOI：“用于水下遥感和成像的机载声纳系统”
10.1109 / ACCESS.2020.3031808