聲納測量聲波從物體上反彈并傳回接收器所需的時間，是可視化水下地形或檢查海基結(jié)構(gòu)物的最佳方法。不過，聲納系統(tǒng)必須部署在船只或浮標(biāo)上，這樣會使其速度變慢，并限制了它們能覆蓋的區(qū)域。

然而，斯坦福大學(xué)的工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種新的光和聲混合技術(shù)。他們認(rèn)為，飛機可以使用這種激光/聲納組合技術(shù)來掃描海洋表面，以獲得水下物體的高分辨率圖像。關(guān)于這種概念驗證機載聲納系統(tǒng)的相關(guān)介紹最近發(fā)表在IEEE Access雜志上 -- 可以幫助發(fā)現(xiàn)沉船殘骸、調(diào)查海洋棲息地和發(fā)現(xiàn)敵方潛艇變得更容易和更快捷。

“我們的系統(tǒng)可以安裝在無人機、飛機或直升機上，”斯坦福大學(xué)電氣工程教授Amin Arbabian說。“它可以迅速部署……覆蓋更大的區(qū)域。”

機載雷達和激光雷達用于以高分辨率繪制地球表面。兩者都能穿透云層和森林覆蓋，使它們在空中和地面上特別有用。但從空中窺視水面則是另一項挑戰(zhàn)。聲波、無線電波和光波在從空氣到水中來回傳播時都會很快失去能量。Arbabian說，這種衰減在渾濁的水中更為嚴(yán)重。

他把光和聲納這兩種已知的光脈沖組合成了聲納系統(tǒng)。“當(dāng)你把光脈沖照射到一個物體上時，它會加熱并膨脹，從而產(chǎn)生聲波，因為它使空氣分子在物體周圍移動。”

該小組研發(fā)的新的光聲聲納系統(tǒng)首先向水面發(fā)射激光脈沖。水吸收了大部分的能量，產(chǎn)生超聲波，像傳統(tǒng)的聲納一樣在水中移動。這些波從物體上反彈，一些反射波從水中返回到空氣中。

在這一點上，聲波回聲會損失大量能量，因為它們穿過水-空氣屏障，然后在空氣中傳播。這里是團隊設(shè)計的另一個關(guān)鍵部分。

為了探測空氣中微弱的聲波，研究小組使用了一種超靈敏的微機械裝置，這個裝置的名字叫空氣耦合電容式微機械超聲換能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer，CMUT），這些裝置是一個簡單的電容器，當(dāng)受到超聲波的沖擊時，它會振動，它們在探測空氣中的聲波時非常有效，而且Arbabian一直在研究CMUT傳感器在遠程超聲成像中的應(yīng)用。通過專門的軟件處理檢測到的超聲波信號，以重建水下物體的高分辨率三維圖像。

研究人員通過將不同高度和直徑的金屬棒放在一個25厘米深的裝滿清水的大魚缸中進行成像來測試這個系統(tǒng)。CMUT探測器位于水面以上10厘米處。

下一步，他們計劃對放置在游泳池中的物體進行成像，他們將不得不使用更強大的激光源，在深水中工作。他們還想改進該系統(tǒng)，使其能與波一起工作，因為波會使信號失真，使檢測和圖像重建更加困難。Arbabian說：“這個概念證明是為了表明你能透過空氣-水界面看到東西。這是這個問題最難解決的部分。一旦我們能夠證明它是有效的，它就可以擴展到更大的深度和更大的物體。”

原文標(biāo)題：光驅(qū)動聲納可以從空中探測海洋

文章出處：【微信公眾號：IEEE電氣電子工程師學(xué)會】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯：haq