聲納測(cè)量聲波從物體上反彈并傳回接收器所需的時(shí)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(guò)，聲納系統(tǒng)必須部署在船只或浮標(biāo)上，這樣會(huì)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(kāi)發(fā)出一種新的光和聲混合技術(shù)。他們認(rèn)為，飛機(jī)可以使用這種激光/聲納組合技術(shù)來(lái)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(yàn)證機(jī)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(wú)人機(jī)、飛機(jī)或直升機(jī)上，”斯坦福大學(xué)電氣工程教授Amin Arbabian說(shuō)。“它可以迅速部署……覆蓋更大的區(qū)域。”

機(jī)載雷達(dá)和激光雷達(dá)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?cè)诳罩泻偷孛嫔咸貏e有用。但從空中窺視水面則是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。聲波、無(wú)線(xiàn)電波和光波在從空氣到水中來(lái)回傳播時(shí)都會(huì)很快失去能量。Arbabian說(shuō)，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(gè)物體上時(shí)，它會(huì)加熱并膨脹，從而產(chǎn)生聲波，因?yàn)樗箍諝夥肿釉谖矬w周?chē)苿?dòng)。”

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(dòng)。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(diǎn)上，聲波回聲會(huì)損失大量能量，因?yàn)樗鼈兇┻^(guò)水-空氣屏障，然后在空氣中傳播。這里是團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵部分。

為了探測(cè)空氣中微弱的聲波，研究小組使用了一種超靈敏的微機(jī)械裝置，這個(gè)裝置的名字叫空氣耦合電容式微機(jī)械超聲換能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer，CMUT），這些裝置是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器，當(dāng)受到超聲波的沖擊時(shí)，它會(huì)振動(dòng)，它們?cè)谔綔y(cè)空氣中的聲波時(shí)非常有效，而且Arbabian一直在研究CMUT傳感器在遠(yuǎn)程超聲成像中的應(yīng)用。通過(guò)專(zhuān)門(mén)的軟件處理檢測(cè)到的超聲波信號(hào)，以重建水下物體的高分辨率三維圖像。

研究人員通過(guò)將不同高度和直徑的金屬棒放在一個(gè)25厘米深的裝滿(mǎn)清水的大魚(yú)缸中進(jìn)行成像來(lái)測(cè)試這個(gè)系統(tǒng)。CMUT探測(cè)器位于水面以上10厘米處。

下一步，他們計(jì)劃對(duì)放置在游泳池中的物體進(jìn)行成像，他們將不得不使用更強(qiáng)大的激光源，在深水中工作。他們還想改進(jìn)該系統(tǒng)，使其能與波一起工作，因?yàn)椴〞?huì)使信號(hào)失真，使檢測(cè)和圖像重建更加困難。Arbabian說(shuō)：“這個(gè)概念證明是為了表明你能透過(guò)空氣-水界面看到東西。這是這個(gè)問(wèn)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(kuò)展到更大的深度和更大的物體。”

原文標(biāo)題：光驅(qū)動(dòng)聲納可以從空中探測(cè)海洋

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