Инженеры сконструировали прототип гидролокатора, который можно установить на воздушную платформу. В отличие от классического сонара, которому для работы необходимо погружение в воду, новое устройство обнаруживает подводные объекты, находясь при этом над поверхностью. Это стало возможным благодаря использованию лазера для генерации звука и высокочувствительных емкостных ультразвуковых преобразователей для его считывания.

Статья опубликована в IEEE Access.

Звук — самый надежный способ исследования водной среды, поскольку вода экранирует радиоволны, а видимость в ней не превышает сотню метров. Активные сонары (гидролокаторы) испускают звуковой импульс и исходя из задержки эха с разных направлений определяют расстояние до объекта или дна. Звук плохо проходит границу воздуха и жидкости, поэтому классический сонар для работы должен находиться в воде. По этой причине для океана не существует акустического аналога аэрофотосъемки — простого и надежного способа исследования больших площадей за короткий срок. Как следствие, подробные карты составлены только для пяти процентов площади дна, в то время как карты суши с разрешением в несколько метров есть в открытом доступе.

Исследователи из Стэнфордского университета во главе с Айданом Фитцпатриком (Aidan Fitzpatrick) опробовали технологию, которая позволяет создать сонар воздушного базирования. Как и у обычного гидролокатора, у экспериментального образца есть источник звука и микрофон, но оба из них адаптированы для преодоления воздушного зазора.

Для получения ультразвука прибор использует фотоакустический эффект: с воздушной платформы на поверхность воды падает пульсирующий лазер. Во время импульса вода нагревается, а между ними — остывает, перепады температур вызывают скачки давления, а они, свою очередь продуцируют звуковые волны, чья частота зависит от частоты лазерных импульсов.

После этого звуковые волны распространяются в воде, отражаются от окружающих предметов, и часть из них, в итоге, возвращается в исходную точку и доходит до сонара через воздух, но ослабленными. Для того, что бы их считывать, инженеры установили на сонар массив емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей. Большинство микрофонов воспринимают звук за счет того, что он колеблет пьезоэлектрик и производит ток.

Вместо этого в основе микромашинных преобразователей лежит конденсатор, чья электрическая емкость изменяется при деформации. Это обеспечивает существенно большую чувствительность, чем пьезоэлектрический эффект, вдобавок конденсаторы можно легко сделать микроскопическими и собрать в массив. Для экспериментальной модели сонара множество единичных микрофонов объединили в один детектор с синтетической апертурой 35 сантиметров. Компьютер анализирует данные массива, и определяет точное направление на источник звука исходя из временной разницы в приеме сигнала элементами.

В ходе испытаний сонар смог правильно обнаружить положение объектов сантиметрового размера в бассейне, находясь на расстоянии десяти сантиметров от поверхности. Между тем, чтобы на основе прототипа создать пригодный к использованию прибор, который может строить трехмерную карту дна, потребуется внести массу усовершенствований. В первую очередь, инженеры планируют установить микрофоны, принимающие звук в широком диапазоне частот, что увеличит разрешение сканирования и уменьшит число шумов.

Помимо простого обнаружения объектов, сонар может фиксировать положение конкретных маячков-транспондеров, которые слушают его сигнал и дают условленный ответ. Однако для такого ответа требуется много энергии, и, как следствие, большая батарея для долгой работы.