当沉积物云遮蔽了光学摄像头，导致 ROV 在盲目漂流时，深海探测就会陷入停滞。伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI) 的研究人员开发了一套系统，通过将声呐与先进算法相结合，实现对“浑浊水域”的实时导航。

弥合声呐与视觉之间的鸿沟

水下机器人在能见度与分辨率之间不断进行权衡。摄像头可以提供清晰的图像，但一旦 ROV 扬起泥沙，它们就会变得毫无用处。声呐可以穿透碎片，但提供的细节过于粗糙，不足以进行精细的操作。

Amy Phung (SM ’23, PhD ’26) 和 Richard Camilli (SM ’00, PhD ’03) 通过一种混合方法解决了这一权衡问题。首先，系统发射快速声呐扫描以绘制海底地图。无论水质如何，该地图都能为航行器提供安全的空间感知。随后，ROV 会向目标靠近，直到沉积物沉降，或者距离缩短到足以让其高分辨率摄像头捕捉到精细细节为止。

通过图像匹配算法实现实时处理

实时绘制海底地图需要极高的计算效率。WHOI 团队引入了一种最初由法国研究小组创建的图像匹配算法。该算法将每个声呐像素视为一个深度线索，用于估算其下方表面的距离。通过将这些深度估算值缝合在一起，软件构建 3D 图景的速度远快于传统的声学重建。这种速度使自主或远程操作系统能够做出瞬间的转向决策并避免碰撞。

对深海产业与国防的影响

能够穿透沉积物观察，将重塑多个高风险领域。科学家可以在不稳定的底栖带收集连续的数据。工程师则可以获得可靠的视野，用于水下建设和基础设施维护，因为人类活动会不断搅动淤泥。

这项技术还强化了国防力量。在扫雷任务中，未爆炸弹药经常隐藏在层层淤泥之下。该声呐-视觉系统可以在“黑障”条件下进行导航，自信地定位处置装置，并在水质足够清澈以进行相机拍摄时验证目标。这一转变使水下机器人从被动的观察者变成了海底主动、智能的代理。

核心要点

  • 混合导航： 声呐提供初始地形轮廓；一旦条件改善，高分辨率摄像头即可提供详细视觉图像。
  • 算法速度： 源自法国的图像匹配程序直接从 2D 声呐数据中估算深度，从而实现实时 3D 建模。
  • 广泛的应用： 该系统受益于海洋学、水下建设、基础设施维护以及危险水雷处置。

WHOI 的 AI 驱动声呐-视觉系统现在可以让水下机器人实时构建周围环境的 3D 图景，即使在沉积物云使摄像头失效的情况下也是如此。

从盲区到实时 3D 地图

传统的 ROV 依赖光学摄像头获取细节，但仅仅一次沙尘扬起就能将清晰的视野变成不透明的屏障。声呐——即从海底反射回来的声脉冲——可以穿透浑浊的水域，但其原始回波缺乏执行诸如抓取脆弱标本或穿线等任务所需的精细细节。

Phung 和 Camilli 正面解决了这一权衡问题。他们的混合系统发射快速声呐扫描，将数据输入法国的图像匹配算法，并将每个声呐像素视为深度线索。通过将这些线索缝合在一起，软件创建 3D 模型的速度足以让 ROV 实时调整航向。

当航行器到达较清澈的水域时（无论是通过远离扰动区域还是等待沉积物沉降），车载高分辨率摄像头就会拍摄详细的照片。实际上，声呐充当了低分辨率的“视力”，在光学“眼睛”接管之前保持机器人的方向感。

为什么速度至关重要

旧有的流程需要数秒甚至数分钟才能将声呐回波转化为 3D 地图——对于必须躲避障碍物或对准机械臂的 ROV 来说，这实在太慢了。源自法国的程序通过直接从 2D 声呐图像中估算深度，绕过了这一瓶颈，消除了对完整声学重建的需求。现在的感知循环可以实时运行，使机器人能够时刻感知悬崖、裂缝和松散的碎片。

在多变的底栖环境中，水流可以在瞬间搅动沉积物。哪怕仅仅几秒钟的延迟，都可能导致碰撞、样本丢失或载具损坏。WHOI 系统让操作员——或自主控制软件——能够基于不断更新的 3D 图像，做出瞬时的转向决策。

科学、工业与国防领域的关键应用

科学探索

海洋生物学家和地质学家致力于研究热液喷口或深海珊瑚等脆弱栖息地。这些地点极易受到干扰；仅依靠摄像机的方法会迫使研究人员在沉积物云团出现时不得不暂停工作，从而面临错过观测机会的风险。声呐辅助导航使 ROV 能够保持安全距离进行地形测绘，并在条件转好后靠近进行高分辨率成像，从而同时保护栖息地和数据。

近海建设与维护

在极少平静的海域中，安装管道、电缆或水下阀门需要精确的工具定位。人工操作的船只会搅起淤泥，使常规任务变成一场视觉上的“猜谜游戏”。这种混合感知系统提供了一种可靠的“透视”视角，无需等待水质澄清即可引导推进器和机械臂，从而有望缩短项目周期，并降低误撞现有基础设施的风险。

海军扫雷作业

未爆炸弹药通常埋藏在层层淤泥之下，导致视觉探测无法实现。传统的声呐可以定位水雷的大致形状，但在没有清晰视线的情况下无法确认其身份。通过将声呐测绘与快速深度估计相结合，WHOI 平台能够穿过“盲区”，自信地放置处置装置，并在水质足够清晰以进行相机拍摄时验证目标。这种能力意味着在有争议的沿岸海域中，可以进行更快速、更安全的扫雷作业。