作者

张金虎、刘晟、杨晨、周娜娜、董尔谦、卜振轩、郑炜、张飞、宋忠长、张宇*

机构

上海交通大学、厦门大学、香港大学

Citation

Zhang J H, Liu S, Yang C, Zhou N N, Dong E Q, Bu Z X, Zheng W, Zhang F, Song Z C, Zhang Y. 2026. A holographic GRIN lens for broadband, highly directive, and aberration-free echo detection. Int. J. Extrem. Manuf. 8 055505.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae6b25

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读

AUV是海洋资源探测、环境感知和水下目标识别的重要平台。为保护声呐换能器并降低航行阻力，前端通常设置流线型导流罩。然而，导流罩的曲面几何和材料结构会改变声波传播路径，使声波在穿透过程中产生波前畸变，导致声能空间分布偏离理想状态，表现为波束发散、旁瓣增强和轴向声能降低等问题，进而制约声呐系统的远距离探测能力。近日，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院张宇教授团队面向自主水下航行器（AUV）声呐系统提出一种全息梯度折射率透镜设计方法，研制出无源、紧凑、宽带的柔性声学功能器件，实现了导流罩像差校正、声束高效准直和水下回波探测性能提升，并在《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“A holographic GRIN lens for broadband, highly directive, and aberration-free echo detection”的文章。

图1 面向AUV声呐系统的全息梯度折射率透镜设计。

2. 图文解析

本研究的创新之处在于根据时间反演波前重构和高频声学近似原理，建立了全息GRIN透镜的设计方法。该方法通过逆向求解声波穿过导流罩后的传播畸变，获得所需相位补偿分布，并将其进一步转化为空间连续变化的折射率分布，从而实现对畸变声波前的预补偿与重构。为实现该设计，研究团队构建了钨微粒-硅胶柔性超材料体系，通过调控钨微粒含量实现声学折射率连续可调，同时保持与水近乎匹配的声阻抗和较低声损耗，为宽带声波调控提供了材料基础。

图2 钨微粒-硅胶柔性超材料的制备、性能表征及其海洋环境稳定性研究。

仿真与水池实验结果表明，该全息GRIN透镜能够在20–45 kHz宽频带内有效校正AUV导流罩引起的严重声波畸变，将原本发散、畸变的声场转化为高准直声束。远场辐射测试显示，安装透镜后，系统波束宽度由无透镜时超过65°缩窄至16°–30°，实现约4倍波束锐化；轴上声压级提升超过10 dB，表明该器件能够显著增强声能沿目标方向的有效辐射。进一步的水池回波探测实验显示，透镜可使边界混响功率平均降低约10.41 dB，使原本被混响淹没的目标轨迹清晰可辨。

图3 全息GRIN透镜增强水下回波探测的水池试验验证。

为验证其在真实水下环境中的应用潜力，研究团队开展湖试验证。结果表明，在复杂河床地形和多路径混响环境中，未安装透镜时运动目标轨迹几乎被环境混响掩盖；安装全息GRIN透镜后，目标轨迹得以清晰解析，验证了该器件在复杂水下场景中的回波探测增强能力。

图4 全息GRIN透镜增强水下回波探测的外场试验验证。

3. 总结与展望

该研究将全息波前重构、梯度折射率声学设计与柔性声学超材料相结合，提出了一种面向AUV声呐集成的被动式宽带波束校正方案。未来，该类柔性声学功能器件有望进一步与AUV艏部导流罩、声窗和换能器阵列一体化设计，发展兼具水动力外形、声透明传输、波束校正和目标探测增强功能的新型声呐前端。同时，该方法也可拓展至水下定向通信、海洋环境探测、无损检测和复杂介质声场调控等场景，为水下智能装备和极端环境声学制造提供新的技术路径。

4. 作者与团队简介

张宇，上海交通大学

张宇，上海交通大学特聘教授，主要研究方向包括海洋生物声呐机理、仿生水声探测与通信技术、海洋人工智能等，在Science Advances、Nature Communications、Matter、National Science Review等高影响国际学术期刊发表SCI论文160余篇。主持有关重点项目、国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目课题等，担任中国声学学会理事会、中国海洋学会海洋物理分会理事会、中国海洋学会深海技术分会理事会等理事，获得福建省引进高层次创业创新人才、全国高等学校创业教育工作先进个人、国家级教学成果奖二等奖、福建省科技进步一等奖等奖项。

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