互动科普

 通过一种所谓的声音-日光成像技术，海水中的声音就能“照明”水下的物体，从而产生不用声纳而得出的彩色活动画面。

 乒、乒、乒……。这种声纳发出的声音与传统潜艇战争影片，例如《小艇Das Boot》和更近的《追捕红十月号The Hunt for Red October》中都很相似。声纳的回声给潜艇上的工作人员提供出目标的存在和位置的线索。另外，人们也可以被动地听目标本身发出的声音。然而，在这两种技术中，穿过海水的噪声损害了信号的完整性。破碎的波浪、驶过的船只、下雨甚至于象游戈的小虾这样的海洋生物都会造成声音异常。因此仅能预期声纳操作人员通常把这种背景噪声看成是一种干扰，并因而付出了很大的努力去排除环境噪声的影响。

然而当研究人员开始意识到这种噪声本身可能很有用时，上述观点就在逐步改变。噪声包围着海水浸没的任何物体；而这些物体又会按照其形状、组成和位置以不同的方式改变这种噪声场。环境噪声有一一种熟悉的光学类似物，这就是大气层中的日光。我们能够看见并拍下室外的物体，这是因为它们散射、反射或以其它方式改变了空气中的光线。与此相类似，弥漫于海水中的噪声起着某种“声音日光”的作用。最近的实验表明，我们的确能够使用环境噪声作为一种照明源来拍摄水下物体。我们得到的结果大大地鼓舞了我们，它使我们相信声音日光成像技术对于一系列目的来说都就是很有用的，从港口安全到水下矿体的探测。

诚然，日前拍摄的照片还缺乏某种美学感染力。图像的分辨率还不能与用光线拍出的照片的分辨率相比。人类视觉的分辨能力强是由于瞳孔可以放大到可见光波长尺寸的10000倍，使眼睛能接收到大量的光波。使用声音要达到类似的分辨率就需要一个大得不合实际的600米宽的接收器。但是由于海水吸收光线和所有其它形式的电磁辐射的能力强，因此声音就成为获取有关海洋深度信息的受欢迎的手段，在很多情况下甚至是唯一的手段。

人类对海洋中的声音感兴趣可以追溯到古代。亚里士多德和小普列尼就怀疑鱼是否能听见声音。古代中国的渔民就使用一根一端放人水中的竹棍作为水下听声装置来测定鱼群的位置。利奥纳多·达·芬奇进一步发挥了这一想法。在他关于水的性质的论文中这样写到：“如果你使你的船停下来，然后把一根长管子的一端放人水中并把水外的一一端靠近你的耳朵，你就会听见离你很远的船只。”

然而，一直到二十世纪初期，在第一次世界大战期间为了防范潜艇的攻击，发明家才首次采用了水下声纳定位系统。虽然这些早期的装置很简陋，但是它们为后来在第二次世界大战中迅速研制出的所有后来的声纳打下了基础。现在广泛运用于军事、商业和科学领域的声纳系统已经达到了很先进的程度。然而，这些声纳的工作原理仍与其早期的产品一样：它们既可以主动传送声音又可以被动接收目标发出的声音。

    从过去把重点放在主动技术和被动技术的观点来看，如下事实就不足为奇了，这就是那种认为噪声能提供一种全新的在海洋中“看”的方式的观点只是在最近时期才开始出现。八十年代中期，我们中的一位(Buckingham)意识到由眼睛所实现的视觉成像既非主动的也非被动的。也就是说，眼睛的活动方式与在海洋中使用声音来探测的一般方式有着根本的差别。一旦这种设想得以实现，那么人们自然就会去探探讨制造一种类似于视觉成像的水下声音成像系统的可能性。实际上，声音-日光成像技术可以避免传统的水下探测技术的主要缺陷：回声定位法不可避免地暴露操作人员的存在，而被动观测法尽管是完全隐蔽进行，仍然不能适用于低声的或无声的目标。

第一次实验

1991年中期我们在加利福尼亚州拉霍亚市斯克里普斯海洋研究所的斯克里普斯码头附近的太平洋内进行了首次声音-日光实验。那时还在斯克里普斯海洋研究所攻读理科硕士学位的一位年轻的海军上尉Brodie Berkhout建造并部署了该装置。主要部件是一个直径1.2米的简单抛物面反射器形状的声音接收器，在其焦点处有一个水下听音器(水下麦克风)。实际上，这个反射器起着声音透镜的作用。

这次实验的目的主要是回答一个简单的问题：当把一个物体放在接收器的“声束”(即接收器的听场)上时，接收器接收到的噪声强度会发生改变吗?用一块0.9×0.77米的表面贴了聚氯丁橡胶的长方形胶台板——这是一种良好的声音反射器和散射器一一作为目标。我们发现对于频率在5千赫50千赫（碎浪产生的声音频率范围，而碎浪又常常是海水中环境噪声的主要来源)的范围内，把目标放在反射器的听场内时噪声的强度通常会加倍。当我们把目标移到距接收器7到12米远时仍然得到这一结果。而且，这种目标对某些频率强烈反射而对另一些频率则将其吸收，这种现象可以解释为声音的“颜色”。这一研究结果表明，我们可以将被反射的声音信号翻译成光学色彩以形成用假彩色表示的声音-日光图像。

受这次成功的鼓励，我们开始考虑研制的下一阶段。这台在焦点处有一水下听音器的抛物面反射器只能在一个方向上“看”，相当于图上只有一个像素为了得到更完整的图像，需要更多的像素，这就意味着需要更多的接收器“声束”(它更象苍蝇的复眼)。在每个接收器声束上的噪声这时就可以转换成在视频监测器上一个像素的某一亮度强度，而噪声的强度则决定了明亮的程度。就象在一张报纸上的照片中一样，像素之间的反差可以使眼睛将这一结果辨成或多或少的颗粒集合图像。

由于初次试验的成功．我们开始相信可以获得具有100个或更多像素的真正声音-日光圈像。1992年中期，我们开始设计一种终于被称作ADONIS的新型声音透镜。ADONIS为声音-日光环境噪声成像系统之意。通过与盐湖城EDDAcoustics公司的合作(该公司为ADONIS系统制造出由128个水下听音器组成的椭球形阵列)，我们制造出一种直径3米的球面反射镜，并在反射镜盘的焦点处放置了这些水下听音器。该系统形成了一个差不多有6度(水平)×5度(垂直)的完整视域，这一视域大约是普通照相机提供的角视域的十分之一。

我们在1994年8月首次将这个看上去更象是卫星抛物面无线的ADONIS系统放到海床上ADONIS由锚定在加利福尼亚州南部马角附近的斯克里普斯海洋研究所的一个研究平台R／PORB所操纵用表面贴有聚氯丁橡胶的铝片做成的正方形板(每边为一米)作为拍摄的目标。这些板以不同的方位安装在固定于海床上的一个正方形棋盘式框架上。在繁忙的港口内搅动起来的沉积物使穿过海水的能见度在试验的大多数时间内都十分模糊，有时混浊度是如此之大以至于我们的潜水员Helen Vervort居然撞到了放有目标的框架。

安装在密封压力罐内的一个电子装置位于支撑球面盘的支架的旁边。在其它的作业任务中，由我们的同事Grant B．Deane设计的这种电子装置可以将ADONIS系统得到的环境噪声数据转化成数字形式。这些数字数据然后又被传到水面并在Macintosh台式计算机的屏幕上变为实时的假彩色圈像。当ADONIS系统首次部署于海水中时，为保持其平衡花费了大量的时间和精力。

看得见还是看不见？

随着ADONIS系统消失在海面之下，笼罩着我们小组的原先很平静的期望气氛很快就消失了——然而，这并不是由于最初的巨大成功。几乎是在一瞬间，船上用于监视电源的各仪表一片混乱一一这强烈表明海水正在涌入电子罐内。果然，当ADONIS系统被扯起并且罐被打开之后，海水就喷出来了。作为应急反应，我们将灵敏的电路板取下来并将其泡在去离子水中，虽然还没有人真正相信它们还可利用。但是在多方面的帮助下，我们用酒精来冲洗这些电路板，检验复杂的128道系统的所有电子部件，然后对必要的部件作了更换并将罐的泄漏处密封好。24小时之后又将ADOINIS系统放入水中。

当潜水员对该装置作最后一分钟的检查时，ORB上这时的紧张气氛就很明显了。当数据出现时，实验室里鸦雀无声。我们在框架上放了三块板形成一个简单的水平目标：1米高，3米宽，与ADONIS系统相距18米。当我们围在屏幕前观看时，我们意识到有一模糊的长方形状是可见的。它几乎充满了整个椭球形摄像空间。我们正在观看第一张声音-日光图象。

在几分钟内我们对这一成象系统的信心就激增了。潜水员在目标中心处放一个声源以便使我们能将ADONIS系统同目标框架对准。但是结果证明声源是不必要的：只须环境噪声我们就可以看到目标。然后我们将ADONIS和目标之间的距离从18米拉长到38米，这是我们进行实验而不会受到船舶运输干扰的最大距离。在这一更大的距离处我们预计清晰度或许会稍有降低，但是令人惊奇的是目标却更清晰得多了。当然，图像比先前更小了，但是这样做的结果是，周围的海洋形成了一个良好的、有明显反差的背景，使得长方形目标显著地突出起来了。当这些未处理的图像在屏幕上连续出现时(一秒钟内更新30次)，我们知道声音—日光成像实现了。

然而，在开展这一试验过程中仍有许多事要做。我们想要知道AD0NIS系统是否能观测运动的物体。安装在支撑反射镜盘的支架内的一台液压马达就可使球面接收器缓慢变动方位，大约12分钟就可转动360度。当盘转动整整一圈时，我们就看到目标从出现在屏幕的一侧并缓慢向中心移动，最后在另一侧消失。毫无疑问我们可以得到活动图象。

还要进行的一项实验，是所有实验中最需要的。潜水员在支架内用四块镶板代替条形目标，形成一个具有水平臂和垂直臂的十字形并在中心有一个1米见方的孔。辨别这个孔有一定难度，因为在38米远处，孔的大小接近ADONIS的极限分辨率。

十字形目标的第一张未处理的图像并不清楚。我们可以看到十字形的形状，但是中心孔的外貌随时都在发生变动从那以后，我们对数据进行了检验并且使用了某种计算机处理。结果查明，噪声的能谱——也即是不同频率的声音的强度——起着一种识别性的作用。它本质上十字形目标的四个空角和中心孔很容易区分，而板的边缘位置就可确定。目标支架内的镶板与空的区域(包括中心孔在内)的“颜色”有明显的差异。支架看上去似乎是“红色”的，而孔看上去是“蓝色”的。最近我们采用了这种技术作为增强声音-日光图像的一种手段。

在海洋世界内摄影

在说明声音一日光成像是一种切实可行的技术方面，静止目标对我们很适用。由于受我们所得结果的鼓舞，我们希望试验一种更困难的目标：虎鲸(Orcinus orea)。在圣迭戈霍布斯海洋世界研究所(Hubbs Sea World ResearchInstitute)的一位研究生物学家AnnBowles的办公室的鼎力相助之下，我们应邀在海洋世界的室外虎鲸池中安装了ADONIS系统。当Bowles对虎鲸对在其池中的一个奇特物体产生的反应进行行为研究时，我们就可以尝试拍摄这些活动能力很强的水上哺乳动物；虎鲸似乎感觉到在池中的任何东西都是确定属于它们的。

1995年2月，利用虎鲸当众表演之间歇，在很讨厌的天气情况下我们在鲸鱼池的一个角落内放置了ADONIS系统。那里大部分时间都在下大雨；为了保护我们的计算机和记录设备，我们临时撑起了防雨布，但是水仍然流得到处都是。

就在我们安装这个系统的同时，虎鲸仍在池中自由游戈，它们对我们表现出极大的兴趣，就象我们对它们表现出的兴趣一样。起先很警惕，它们很快就变得习惯于那个大的反射盘。虎鲸变得很想寻找那个盘子，这是因为盘子的聚焦效应使得虎鲸在盘子面前“发出咻咻声”时声音就会强烈反射回到它们身上。一条年轻的雄虎鲸Splash，变得更为冒险，将一根充油式电子电缆(外硬内软)放进嘴中想要嚼碎。另一条虎鲸很快游向反射盘并在反射盘上跳跃——这时我们感觉得必须作一些改进。训鲸人员将虎鲸移到另一个池子里，在那儿它们可以玩自己的玩具直到我们把一切准备好。

在经历一次冒失的开端之后(水下箱内的所有电子线路板在输送过程中部被摇动得与接头脱开了)，我们重新接好设备，开始收集数据。我们还不能肯定会发生什么事。泵和其它机器使得该海洋世界池子中的噪声达到很高的强度，与海水中的噪声强度相似。尽管电子线路板在海水浸泡之后遭到了某些小的损伤，但是所有信号(除了128道中有两道外)全都被接收到并且显示出实时的活动图象。

当我们在屏幕上看到未处理过的数据(即未经过图像增强技术的处理)时，突然出现了一个模糊的形状，并且持续看到了几秒钟。同时，我们可以看到(用眼睛)一条虎鲸进入了ADONIS系统的视域中，即使它直接从盘子游开时它也停留在这一视域内。水下听音器的监测人员和训鲸人员坚持认为鲸自身并不能发出声音，这说明我们看到的图像是由于声音-日光直接形成的。我们还须仔细检查虎鲸的图像，并且将这些图像与同时进行的视频记录相联系起来，以确认我们是否真正拍摄到了鲸的图像。但是初步的观测结果与在洛马角附近的ORB实验都证实了普通摄影技术与用环境噪声进行的日光水下成像技术之间的相似性。

这些结果立即表明几个潜在的用途。一个是水下矿体的探测，有些水下矿体可以通过接收声纳信号的方式使之起爆。一种声音-日光系统可以安放这些装置而不会触发它的。使用环境噪声成像可以给自动水下推进装置提供视觉，使其不用借助于水面船只上的操作人员而绕过障碍行驶，同时又能监测打油钻机和其它大型海上平台的结构完整情况。声音一日光成像的固有的隐蔽性还使之适合于监测港口——就象电视摄像机在购物中心保持警戒一样——和对海洋哺乳动物计数。因为这类动物自身之间没有声音干扰。(这又提出一个问题，即是海洋哺乳动物本身是否利用声音-日光来获取信息。)

可以设想，我们能够进一步开发声音-日光成像技术，因为它是一个新概念。在最近的试验中，ADONIS系统成功地拍摄了塑料浮体、钛球和盛装湿沙和泡沫的聚氯乙烯油桶。初步分析表明，这些容器即使是在海底也能被看见。我们已经达到一个更象是电视初创的阶段：重要的不是图像的质量，而是确实有图像存在这一事实。今后几个月，我们计划用1000个水下听音器组成的相控阵列来取代球面反射器。同时，我们还将开发专用的算法来用于图像增强和自动图像识别。我们希望，这些努力将使声音-日光图像的质量大大提高，并且或许可以制造出ADONIS系统的接班者——未来的水下电视摄像机。