2023年6月18日，泰坦号潜水器在沉入大西洋海底的泰坦尼克号残骸的两个小时后，在大约一个半小时的时候与支援船失去了联系。这一消息的中断，引发了对这艘旅游潜水器和船上五名乘客的疯狂搜索，这艘潜水器位于海面以下约两英里处。

　　深海搜索和恢复是美国海岸警卫队搜救办公室和美国海军打捞和潜水主管等军事服务的众多任务之一。对于这一任务，最长的延误来自通过船只将搜索和救援设备运送到感兴趣的地区并对该地区进行全面调查。像泰坦那样规模的搜索行动——距离最近的港口420海里，覆盖13000平方公里，面积大约是康涅狄格州的两倍——可能需要数周才能完成。泰坦的搜索区域相对较小，主要集中在泰坦尼克号附近。当该地区不太为人所知时，行动可能需要数月时间。（一艘加拿大船只部署的远程操作水下航行器在泰坦号失踪四天后，最终在海底找到了泰坦号的残骸区。）

　　来自麻省理工学院林肯实验室和麻省理工学院机械工程系海洋科学与工程实验室的一个研究小组正在开发一种基于水面的声纳系统，该系统可以将小型和大型搜索行动的时间缩短到几天。该系统被称为自主稀疏孔径多波束回声探测仪（Autonomous稀疏孔径多波束回声探测仪），它以水面舰船的速度进行扫描，同时提供足够的分辨率来发现深海中的物体和特征，而无需部署水下航行器的时间和费用。回声探测仪的特点是使用小型自主水面航行器（asv）的大型声纳阵列，可以通过飞机部署到海洋中，具有绘制海底地图的潜力，其覆盖率是水下航行器的50倍，分辨率是水面船只的100倍。

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　　命名稀疏孔径多波束测深仪

　　视频来自MIT林肯实验室

　　“我们的阵列提供了两全其美：水下航行器的高分辨率和水面舰艇的高覆盖率，”实验室先进海底系统和技术小组助理组长、联合首席研究员安德鲁·马奇说。“尽管大型低频地面声纳系统有可能确定海底的材料和轮廓，但它们通常会以分辨率为代价，特别是随着海洋深度的增加。我们的阵列可能也可以确定这些信息，但在深海中分辨率会大大提高。”

　　水下不明

　　海洋覆盖了地球表面的71%，但超过80%的水下领域仍未被发现和探索。人类对其他行星和月球表面的了解比对海洋底部的了解还要多。高分辨率海底地图不仅有助于寻找船只或飞机等失踪物体，而且还支持许多其他科学应用：了解地球地质，改进对洋流和相应天气和气候影响的预测，发现考古遗址，监测海洋生态系统和栖息地，以及确定含有矿物和石油等自然资源的位置。

　　世界各地的科学家和政府都认识到绘制高分辨率全球海底地图的重要性；问题是，现有的技术无法从海洋表面获得米级的分辨率。我们海洋的平均深度约为3700米。然而，今天能够在海底找到人造物体或识别人体大小的自然特征的技术——这些技术包括声纳、激光雷达、摄像头和引力场测绘——在水中的最大探测距离不到1000米。

　　在船体上安装了大型声纳阵列的船只通过发射低频声波来绘制深海地图，这些声波从海底反射回来，并以回声的形式返回到海面。低频操作是必要的，因为水很容易吸收高频声波，特别是随着深度的增加；然而，这样的操作产生低分辨率的图像，每个图像像素代表一个足球场的大小。分辨率也受到限制，因为安装在大型测绘船上的声纳阵列已经占用了所有可用的船体空间，从而限制了声纳波束的孔径大小。相比之下，自主水下航行器（auv）上的声纳在距离海底几百米的范围内以更高的频率工作，生成的地图每个像素代表一平方米或更小，在同一个足球场大小的区域内产生的像素是原来的1万倍。然而，更高的分辨率也带来了一些代价：在深海中部署auv既耗时又昂贵，限制了可以测绘的海底面积；在它们的高频声音被吸收之前，它们的最大射程约为1000米；它们以缓慢的速度移动以节省能量。执行高分辨率测绘的auv的面积覆盖率约为8平方公里/小时；水面船只绘制深海地图的速度是这个速度的50倍以上。

　　一个解决方案出现了

　　自主稀疏孔径多波束回声探测仪可以提供一种经济有效的方法，从海洋表面对深海海底进行高分辨率、快速测绘。一个由大约20艘asv组成的协作舰队，每艘asv都拥有一个小型声纳阵列，有效地形成一个声纳阵列，其大小是船上安装的大型声纳阵列的100倍。该阵列的大孔径（数百米）产生了窄波束，这使得声音能够被精确地引导，以产生低频的高分辨率地图。由于相对于阵列的整体尺寸（即稀疏孔径），安装的声纳很少，因此成本是可处理的。

　　然而，这种协作和稀疏设置带来了一些操作上的挑战。首先，对于相干3D成像，必须通过海洋动态运动精确跟踪每个ASV声纳子阵的相对位置。其次，由于声纳元件之间没有任何间隙直接相邻放置，因此阵列的信噪比较低，并且无法抑制来自意外或不希望的方向的噪声。为了缓解这些挑战，该团队一直在开发一种低成本的精度相对导航系统，并利用声学信号处理工具和新的海洋场估计算法。麻省理工学院的校园合作者正在开发数据处理和图像形成的算法，特别是用于估计深度集成水柱参数。这些技术将有助于解释复杂的海洋物理，包括温度等物理特性，洋流和波浪等动态过程，以及声速等声音传播因素。

　　所有所需的控制和计算都可以远程完成，也可以在asv上完成。例如，从船上或飞艇部署的asv可以通过卫星链路或从附近的支援船（通过直接通信或卫星链路）从陆地远程控制和引导，并在需要维护之前一次放置数周或数月来绘制海底地图。声纳返回健康检查和粗略的海底测绘将在船上进行，而海底的全面、高分辨率重建将需要陆地或支援船上的超级计算基础设施。

　　先进海底系统和技术集团的研究员Paul Ryu说：“在一个区域部署车辆，让它们在不需要船只返回补给和轮换人员的情况下长时间绘制地图，这将大大简化物流和运营成本。”

　　自2018年开始研究以来，该团队已经将他们的概念变成了原型。最初，科学家们建立了一个稀疏孔径声纳阵列的比例模型，并在实验室的自主系统开发设施的水箱中进行了测试。然后，他们制作了一个asv大小的声纳子阵列的原型，并在马萨诸塞州的格洛斯特展示了它的功能。在波士顿港的后续海上测试中，他们部署了一个8米长的阵列，其中包含相当于25个asv锁在一起的多个子阵列；有了这个阵列，他们生成了海底和沉船的3D重建。最近，该团队与伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）合作，制造了第一代12英尺长的全电动ASV原型机，其底部装有声纳阵列。有了这个原型，他们在马萨诸塞州的伍兹霍尔和罗德岛的纽波特进行了初步的相对导航测试。他们完整的深海概念需要大约20艘类似大小的asv，可能由波浪或太阳能提供动力。

　　这项工作是由林肯实验室内部管理的自主系统研发投资组合资助的。该团队目前正在寻求外部赞助，以继续开发他们的海底测绘技术，该技术获得了2024年R&D 100奖的认可。