飞机使用光驱动声纳扫描海洋获得水下高分辨率图像用于救援

发布时间:2021-01-13点击量:40

声纳测量声波从物体上反弹并传回接收器所需的时间,是可视化水下地形或检查海基结构物的最佳方法。不过,声纳系统必须部署在船只或浮标上,这样会使其速度变慢,并限制了它们能覆盖的区域。

然而,斯坦福大学的工程师们已经开发出一种新的光和声混合技术。他们认为,飞机可以使用这种激光/声纳组合技术来扫描海洋表面,以获得水下物体的高分辨率图像。关于这种概念验证机载声纳系统的相关介绍最近发表在IEEE Access杂志上 -- 可以帮助海洋应急救援、发现沉船残骸、调查海洋栖息地变得更容易和更快捷。

“我们的系统可以安装在无人机、飞机或直升机上,”斯坦福大学电气工程教授Amin Arbabian说。“它可以迅速部署……覆盖更大的区域。”

机载雷达和激光雷达用于以高分辨率绘制地球表面。两者都能穿透云层和森林覆盖,使它们在空中和地面上特别有用。但从空中窥视水面则是另一项挑战。声波、无线电波和光波在从空气到水中来回传播时都会很快失去能量。Arbabian说,这种衰减在浑浊的水中更为严重。

他把光和声纳这两种已知的光脉冲组合成了声纳系统。“当你把光脉冲照射到一个物体上时,它会加热并膨胀,从而产生声波,因为它使空气分子在物体周围移动。”

该小组研发的新的光声声纳系统首先向水面发射激光脉冲。水吸收了大部分的能量,产生超声波,像传统的声纳一样在水中移动。这些波从物体上反弹,一些反射波从水中返回到空气中。

在这一点上,声波回声会损失大量能量,因为它们穿过水-空气屏障,然后在空气中传播。这里是团队设计的另一个关键部分。

为了探测空气中微弱的声波,研究小组使用了一种超灵敏的微机械装置,这个装置的名字叫空气耦合电容式微机械超声换能器(capacitive micromachined ultrasonic transducerCMUT),这些装置是一个简单的电容器,当受到超声波的冲击时,它会振动,它们在探测空气中的声波时非常有效,而且Arbabian一直在研究CMUT传感器在远程超声成像中的应用。通过专门的软件处理检测到的超声波信号,以重建水下物体的高分辨率三维图像。

研究人员通过将不同高度和直径的金属棒放在一个25厘米深的装满清水的大鱼缸中进行成像来测试这个系统。CMUT探测器位于水面以上10厘米处。

下一步,他们计划对放置在游泳池中的物体进行成像,他们将不得不使用更强大的激光源,在深水中工作。他们还想改进该系统,使其能与波一起工作,因为波会使信号失真,使检测和图像重建更加困难。Arbabian说:“这个概念证明是为了表明你能透过空气-水界面看到东西。这是这个问题最难解决的部分。一旦我们能够证明它是有效的,它就可以扩展到更大的深度和更大的物体。

 


来源:Elecfans、 应急装备之家
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