機載光聲系統，以對水下物體成像。

美國斯坦福大學的工程師已經開發出一種空中成像方法，通過將光和聲結合的方式，以此來突破似乎無法逾越的空氣和水界面障礙物，來探測水下物體最終成像。

最近，研究人員詳細介紹了他們的“光聲機載聲納系統”。 他們設想，這種混合光學聲系統將有一天被無人機用于從空中進行海洋生物調查，對沉沒的船只和飛機進行大規模空中搜索，并以一定的速度來水平繪制海深圖。甚至還作為地球景觀的細節掃描。

斯坦福大學工程學院電氣工程副教授阿敏·阿巴比安（Amin Arbabian）說：

“數十年來，機載和星載雷達以及基于激光的激光雷達系統（LIDAR）一直能夠繪制地球景觀。雷達信號甚至能夠穿透云層和樹冠層。，但我們的目標是開發一種即使在渾濁的水中也能成像的更強大的系統。”

能量損失

海洋覆蓋了大約70％的地球表面，但僅對其深度的一小部分進行了高分辨率的成像和制圖。

主要的障礙與物理有關：例如，聲波不能通過反射在另一種介質上而損失大部分（超過99.9％）的能量，而不能從空氣傳播到水中，反之亦然。試圖使用聲波從空氣進入水中然后再回到空氣中來查看水下系統的系統，一來一回遭受這種能量損失-導致能耗降低了99.9999％。

同樣，電磁輻射（包括光、微波和雷達信號的總稱）在從一種物理介質傳遞到另一種物理介質時也會損失能量，盡管其機理不同于聲音。研究的第一作者，斯坦福大學電氣工程系研究生艾丹·菲茨帕特里克（Aidan Fitzpatrick）解釋說：“光還通過反射損失了一些能量，但是大部分能量損失是由于被水吸收了。”順便說一句，這種吸收也是為什么陽光無法穿透到海洋深處以及您的依靠蜂窩信號（一種電磁輻射形式）的智能手機無法在水下接聽電話的原因。

所有這些的結果是，無法像陸地一樣通過空中和太空對海洋進行制圖。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給定興趣區域的船舶上來實現的。但是這種技術緩慢且昂貴，并且覆蓋大面積區域效率低下。

一個看不見的拼圖

進入光聲機載聲納系統（PASS），該系統將光和聲結合起來，穿過空氣-水界面。光聲方法的想法源于另一個項目，該項目使用微波對地下植物根進行“非接觸式”成像和表征。PASS的某些儀器最初是與斯坦福大學電氣工程教授Butrus Khuri-Yakub的實驗室合作設計的。

從本質上講，PASS發揮了聲音的獨特優勢。Fitzpatrick說：

“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光，則我們可以同時兼顧兩者。”

為此，光聲系統首先從被水吸收的空氣中發射激光。吸收激光后，它會產生超聲波，該超聲波向下傳播通過水柱，并反射回水下物體，然后再返回地面。

實驗室中的實驗光聲機載聲納系統設置（左）。使用反射的超聲波（右）以3D方式重建淹沒在水下（中間）的斯坦福“ S”。

返回的聲波在破壞水面時仍會消耗掉大部分能量，但是通過使用激光在水下產生聲波，研究人員可以防止兩次發生能量損失。

Arbabian解釋說：

“我們已經開發了一種足夠靈敏的系統，可以補償這種數量級的損耗，并且仍然可以進行信號檢測和成像。與光通過水或比空氣密度更高的任何介質時，光如何折射或'彎曲'相似，超聲波也會折射 。我們的圖像重建算法可以糾正超聲波從水傳到空氣中時發生的彎曲。”。

反射的超聲波由稱為換能器的儀器記錄。然后使用軟件將聲信號像看不見的拼圖一樣拼湊在一起，并重建淹沒特征或物體的三維圖像。

無人機海洋調查

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。Fitzpatrick說：“目前的實驗使用的是靜態水，但我們目前正在努力應對水浪。”“這是一個挑戰，但我們認為是可行的問題。”

研究人員說，下一步將是在更大的環境中進行測試，并最終在露天環境中進行測試。

Fitzpatrick說：

“我們對這種技術的愿景是在直升機或無人機上。希望該系統能夠在水面數十米的高度飛行。”