可以从空中为水下测绘的机载激光声呐系统

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

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，搜索沉没的船只和失事飞机，并以近似于卫星绘制地图的速度绘制海深图。他们关于“光声机载声纳系统”的论文最近发表在IEEE Access上。

“机载和星载雷达以及基于激光的激光雷达系统(LIDAR)数十年来被用于绘制地球的地形图。雷达信号能够穿透云层和树冠层。但是，海水的吸收性太强。”斯坦福大学工程学院电气工程学副教授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可靠的系统。”

海洋覆盖了大约70％的地球表面，但目前仅对浅表部分进行了高分辨率的成像和制图。

主要障碍来自于物理学。例如，声波会因在两个介质交界面的反射而损失大部分(超过99.9％)的能量，所以无法从空气传播到水中，反之亦然。如果声呐系统把声波从空气导入水中然后再传回空气中，这两次能量损失，使信号强度降低了99.9999％。

同样，电磁辐射(包括光，微波和雷达信号的总称)也会损失能量，尽管其机理不同于声波。

第一作者，斯坦福大学电气工程系的研究生Aidan Fitzpatrick解释说：“光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。”顺便说句，这也是为什么阳光无法达到海底以及智能手机无法在水下接听电话。

所有这些的结果，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船舶上来实现的。但是这一方法缓慢且昂贵，处理大面积区域时效率低下。

光声机载声纳系统(PASS)将光和声结合起来，穿过空气——水界面。它的灵感源于之前的项目——使用微波对地下植物的根进行“非接触式”成像和扫描。

从本质上讲，PASS结合了声音和电磁波的优点。“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声波，则我们可以兼得两全。”

为此，系统首先从空气中向水域发射激光。水分子吸收激光后，产生了超声波，超声波向下传播，触底反射回水面。

当然，返回的声波无法再转化成光——所以，仍然元气大伤。不过至少避免了双重损失。

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

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。“目前的实验使用的是静态水，但我们目前正在努力应对波浪。这是一个挑战，但我们认为是可行的。”

研究人员说，下一步将是更大规模的测试，并最终在露天环境中测试。

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