水下成像的进展——美国学者开发出可以隔空测水的光驱声呐
刘虎
科创仪表局,成都
科创喵 2020-12-11原创 强激光仪表与测量

声呐是探测水下物体的重要仪器。传统的声呐必须将声波换能器浸入水中,通过向水中发射声波,接收回波来感知水中障碍物。得益于数据处理技术的进步,现代声呐组网后可以直接绘制水下地形。

由于声呐的换能器必须浸没在水中,一般只能安装在舰船、浮标上,使得声呐的探测效率难以提高。时至今日,许多海域尚未得到高精度的测量,如果遇到诸如探测失事坠海飞机之类任务,一般也只能在很小的区域进行“精测”,难以快速、广域搜索。如果能够将声呐安装在飞机上,就有可能进行大规模高速度的水下地形测绘。

但是,如果把声呐安装在飞机上,就只能使声音先发射至空气中,再从空气传播到水中。水是不可压缩流体,水的声阻抗较空气高数千倍,声波从空气传播到水中会在界面上产生极大的反射,损耗通常高达65dB。声音从水中返回,又会在界面上再次经历同样的损耗。两次损耗丢失了绝大部分能量,使得回波远低于接收器的灵敏度。

2020年10月的IEEE ACCESS发表了斯坦福大学阿尔巴比实验室传感与影像项目组的最新研究成果。他们利用激光致声原理,使用经过调制的激光照射水面,使水在激光的激励下产生声波,大幅提高了能量传递效率,节省了一次界面传输损耗。而回波没有办法再变成光,依然使用换能器在空气中接收。经过这种改进,回波的强度有较大提升,高于检测限,能够实现成像。

1.png

目前该方法只在静水中进行测试,还处于原型机状态。研究团队希望进一步在开放水域进行测试,并开发处理水面波浪的技术。

2.png

这项技术进一步发展,有望实现机载快速成像,开启海底地形测绘、潜艇探测等方面的新篇章。

1.jpeg

研究详情参见论文:

attachment icon An Airborne Sonar System for Underwater.pdf 3.45MB PDF 51次下载 预览


来自:电气武器 / 强激光电子信息 / 仪表与测量
5
Johnny-Wei
1个月16天前 修改于 1个月16天前
1楼

刚想回复说怎么解决水面波浪干扰,就看到图片下面的那句话……

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1
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nkh0472
1个月16天前
2楼

很巧妙的做法,但是考虑到水气界面处声波的衰减,想收集到足够好的音频数据还是有些困难,尤其是在开放的海面上。文章中即使在安静的实验室里也只是测试了巴掌深的水下物体,感觉用途很局限。不过倒是开拓了一个很好的思路。

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RodTech
1个月16天前
3楼

这应该是一个可以暴力出奇迹的问题,

如果用平均功率千瓦级光纤激光(体积4u)加入有助于成像的调制,再加入振镜扫描,应该能够在海里提供足够的信噪比,就是声波波长太短,海浪太复杂又尺度相近,恐怕要很复杂的lidar进行补偿。。。


补充一下在空气中激励的效果,1焦耳100hz的激光打在空气里声音震耳欲聋,站在一米外,几秒就会耳鸣。。。。几小时后都明显听力下降。。

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虎哥
1个月16天前
4楼
引用nkh0472发表于2楼的内容
很巧妙的做法,但是考虑到水气界面处声波的衰减,想收集到足够好的音频数据还是有些困难,尤其是在开放的海...

我也觉得这个思路挺好,所以写了个报导。跟当年上nature的飘升机(https://www.kechuang.org/t/83429  )类似,都属于难度不算太大,但是很有趣的研究。

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