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原文发表于《科技导报》2025年第11期科技新闻-深度报道
新型声呐技术变革海底测绘——巨型声学相机模拟设备可探测动物洞穴、爆炸地雷和金属矿床


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美国马萨诸塞州南塔克特岛海岸附近沉船的合成孔径声呐成像
（图片来源：Kraken Robotics网站）
一项新型声呐技术可以实现厘米级分辨率的海底测绘，应用前景十分广阔，这项新技术令许多科研人员备受鼓舞。商用合成孔径声呐（SAS）设备最初由军方开发用于识别爆炸地雷，现已被海法大学海洋地质学家Yizhaq Makovsky等科学家用于研究。Makovsky表示，在首次发现SAS仪器能够辨识海底微小洞穴的隆起后，“我们意识到这是一项颠覆性技术”。
2025年5月7日在Science Advances上发表的一项研究表明，全球深海海底仅有罗得岛州大小的区域可以被近距离观测。随着SAS技术的普及，海底测绘范围有望进一步扩大。这项技术可以清晰揭示大范围海底的精细特征，展现海底的生物与地质全貌。此外，对于解决深海采矿者与海底环保主义者之间可能产生的争议，该技术也具有重要意义。Makovsky指出，“如何确定保护对象、如何进行监测，这些都是需要思考的问题”。
新罕布什尔大学海洋学家Larry Mayer感叹该技术具有“巨大”潜力，但也指出，在看到这些优势的同时，须关注技术的复杂性和高昂成本，SAS设备及配套自主水下航行器或船载平台的造价可能高达数百万美元。
SAS技术的原理与卫星上使用的合成孔径雷达（SAR）系统相似，该系统已广泛用于地表测绘。在SAR系统中，移动的束源会向地表某一点发射多个“脉冲”信号，这些雷达反射信号随后被拼接，最后形成相当于更大孔径天线所拍摄的图像。SAS技术采用相同的原理，区别在于用声波替代了无线电波。
Kraken Robotics公司（少数几家销售SAS设备的公司之一）的声呐科学家Shannon Steele解释道，成像需要明确“天线的精确位置，并估算其运动轨迹”。新罕布什尔大学水声学Anthony Lyons指出，天线必须保持绝对直线运动，“这对导航系统要求极高”。SAR卫星可利用GPS系统和雷达脉冲来计算天线位置和运动轨迹，但GPS系统在水下无法工作，而且声波传播速度比无线电波慢，因此难以作为导航工具使用。
耗费10年，一些企业才攻克商用SAS系统的技术难题。挪威国防研究院声学成像研究人员Roy Hansen表示，“关键是利用声学数据修正导航轨迹”，借助算法分析相邻脉冲信号之间的时延，进而估算运动轨迹。Roy Hansen于2006年部署的SAS系统是首批稳定运行的系统之一。
这项技术正推动科研领域取得突破。纽芬兰纪念大学地质学家John Jamieson认为，SAS可谓海底勘测研究领域的“圣杯”。2023年，他与博士研究生Caroline Gini在加拉帕戈斯群岛开展了一项研究，利用SAS仪器观测热液系统。热液是富含营养物质的海底热泉，为海洋生物提供了生存资源。最终成像既发现了未知的热液喷口，也捕捉到一些附近的海底生物。Gini表示，“眼前这张图片会让人忘记，这其实是利用声波重建的图像”。深海热液喷口的精细测绘有助于完善海底流体的运动模型。
Makovsky认为，SAS技术在海洋生态学领域拥有巨大潜力。2025年3月，Makovsky及其团队发表的研究中利用SAS技术对以色列西海岸150 m深的Bustan HaGalil海脊进行了勘测，勘测面积达5 km2，仅耗时6 h，最终揭示了砂质型、岩石型和淤泥型海底底质类型的清晰图貌，为分类研究该海脊的不同生境创造了条件。Makovsky表示，“通过这张图像，甚至可以看到岩石上藻类的生长痕迹”。根据图像，潜水员对不同生境内的生物进行了统计，并根据其他区域的SAS数据，最终开发出一种机器学习工具用于估计生态多样性。
同时，Hansen等将SAS技术应用于深海考古，搜寻第二次世界大战后装载炸弹和芥子气的盟军货船在北海的沉船遗迹。Hansen及其团队借助自主水下航行器搭载的SAS系统，对接近巴黎4倍大小的海域进行了勘测，最终发现54艘沉船（包括一些未知残骸），并精确定位了散落在沉船周围的炸弹和毒气桶——由于体积太小，其他声呐系统很难识别。这一结果有望为未来的沉船清理行动提供指导。Hansen表示，“我认为，这些环境问题正是该技术的最佳应用场景”。
随着海底采矿活动不断兴起，SAS技术有望拓展至另一环境监测领域。如协助采矿商定位富含金属矿床的死亡热液喷口烟囱体，还可以辅助监管机构评估资源开采对环境的影响。
2021年，以色列开放特拉维夫近海Palmahim Disturbance深海滑坡的石油开采权后，以色列自然保护学会向Makovsky表达了种种担忧。之后，Makovsky领导开展了一项SAS探测活动，发现在这片看似贫瘠的深海海底，潜藏着诸多流体渗漏口，周围分布着许多动物洞穴、盐池，甚至还有一处深海鲨鱼苗圃。Makovsky将其喻为“沙漠中的绿洲”。得益于这些发现，该区域于2022年被划定为海洋保护区。
Lyons指出，这类勘测项目通常需要借助军用级的自主水下航行器和SAS系统。他表示，“这些设备的造价极其昂贵”，而除此之外，还需要配备专门的水手团队和数据分析师。不过，一些企业已经开始提供商用SAS服务以及水手和设备租赁业务，支持勘测活动。Hansen认为，技术进步与市场需求或将推动成本下降，并指出，资源与技术的实现是“一个渐进式而非激进式”的发展过程。
Mayer认为，在当前阶段，早期采用者主要仍是资金充裕的沉船打捞企业、海底矿产勘探企业，以及获得政府生态学与生物学重大研究项目资助的科研人员。Lyons坦言，“考虑到高昂的经济成本，这项技术的普及仍有待时日，希望我能够早日体验到”。
文/Rachel Berkowitz

（译自Science，2025，388（6749））

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