En af mine venner, der arbejder med spildesign, viste mig for nylig en 3D-model af Jorden, gengivet meget detaljeret vha. topografisk nøjagtige satellitdata, så vi kunne svæve gennem kløfter og vores respektive kvarterer i høj hastighed som et par joyriding Super mænd. "Lad os se, om vi kan gå under vandet," sagde han opstemt, da vi fløj ud over Stillehavet.
Indhold
- Problemet med lidar, problemer med sonar
- Hvad kommer til PASS
- De ting, der ligger under
Det kunne vi ikke. Modellen, der var så forbløffende nøjagtig på landjorden, havde tilsyneladende ingen data til at modellere det undersøiske miljø med. Det var et uudviklet tomrum under vandets glasagtige overflade, som om dette var en subakvatisk version af Truman Show, og vi var nået til verdens ende.
Anbefalede videoer
Ingen af os var specielt overraskede. Chokket ville have været, hvis havene havde blevet gengivet. Hvor skulle den information komme fra? Og hvor præcist ville det have været? Det ville have betydet, at modellens skabere vidste noget, som selv verdens førende oceanografer ikke ved.
For al den berettigede spænding omkring at udforske rummet i 2020'erne (Elon Musk er "meget selvsikker”, at mennesker vil svæve mod Mars i 2026), forbliver vores planets oceaner et stort set ukendt og ukendt domæne, der er meget tættere på hjemmet. Vand dækker omkring 71 procent af Jordens overflade, hvor de ferskvandsstoffer, vi drikker, tegner sig for små 3 procent, lidt mere end en afrundingsfejl. Men det overvældende flertal af jordens oceaner - op til 95 procent - er et uudforsket mysterium.
Selvom vi stadig er langt væk fra en Google Street View-ækvivalent til den undersøiske verden, er et nyt projekt i gang ud af forskere ved Stanford University kunne bane vejen for netop sådan noget i fremtiden - og en hel del mere udover. Forestil dig at være i stand til at flyve et fly over en strækning af vand og med absolut klarhed se, hvad der gemmer sig under bølgerne.
Det lyder umuligt. Som det viser sig, er det bare virkelig, virkelig svært.
Problemet med lidar, problemer med sonar
"Afbildning af undervandsmiljøer fra et luftbårent system er en udfordrende opgave, men en der har mange potentielle anvendelser," Aidan James Fitzpatrick, en kandidatstuderende i Stanford Universitys afdeling for og elektroteknik, fortalte Digital Trends.
Den oplagte kandidat til dette billeddannende job er lidar. Lidar er bounced laserteknologi mest berømt for at hjælpe (ikke-Tesla) autonome køretøjer med at opfatte verden omkring dem. Det virker ved at udsende pulserende lysbølger og derefter måle, hvor lang tid det tager at hoppe af genstande og vende tilbage til sensoren. Ved at gøre dette kan sensoren beregne, hvor langt lysimpulsen rejste og som et resultat opbygge et billede af verden omkring den. Mens selvkørende biler fortsat er den mest kendte brug af lidar, kan den også bruges som et kraftfuldt kortlægningsværktøj i andre sammenhænge. For eksempel brugte forskere det i 2016 til afdække en for længst tabt by skjult under tæt løvdække i den cambodjanske jungle.
Lidar er dog ikke passende til denne form for kortlægning. Selvom avancerede lidar-systemer med høj effekt fungerer godt i ekstremt klart vand, har meget af havet - især kystvandet - tendens til at være uklart og uigennemsigtigt for lys. Som et resultat, sagde Fitzpatrick, har meget af den undervandsbilleddannelse, der er udført til dato, været afhængig af ekkolodssystemer i vandet, der bruger lydbølger i stand til at forplante sig gennem skumle vand med lethed.
Desværre er der også en fangst her. Ekkolodssystemer i vand er monteret på eller bugseret af en langsomtgående båd. Billeddannelse fra luften ved hjælp af et flyvende luftbårent køretøj ville være mere effektivt, da det kunne dække et meget større område på kortere tid. Men det er umuligt, da lydbølger ikke kan passere fra luft til vand og derefter tilbage igen uden at miste 99,9999 procent af deres energi.
Hvad kommer til PASS
Derfor, mens lidar- og radarsystemer har kortlagt hele Jordens landskab (med vægt på "land"), har kun omkring 5 procent af de globale farvande været genstand for lignende billeddannelse og kortlægning. Det svarer til et verdenskort, der kun viser Australien og efterlader resten af det mørkt som noget uudforsket Age of Empires kort.
"Vores mål er at foreslå en teknologi, som kan monteres på et flyvende køretøj for at give dækning i stor skala, mens man bruger en billedbehandlingsteknik, der er robust i grumset vand," sagde Fitzpatrick. "For at gøre dette udvikler vi det, vi har skabt et fotoakustisk luftbåret ekkolodssystem. PASS udnytter fordelene ved lysudbredelse i luft og lydudbredelse i vand til at afbilde undervandsmiljøer fra et luftbårent system."
PASS fungerer således: For det første affyrer et specielt tilpasset lasersystem et udbrud af infrarødt lys, der absorberes af den første centimeter eller deromkring vand. Når først laserabsorption er opstået, udvider vandet sig termisk, hvilket skaber lydbølger, der er i stand til at rejse ind i vandet.
"Disse lydbølger fungerer nu som et sonarsignal i vandet, der blev fjerngenereret ved hjælp af laseren," fortsatte Fitzpatrick. "Lydbølgerne vil reflektere fra undervandsobjekter og rejse tilbage mod vandoverfladen. Noget af denne lyd - kun omkring 0,06 procent - krydser luft-vand-grænsefladen og rejser op mod det luftbårne system. Højfølsomme lydmodtagere, eller transducere, fanger disse lydbølger. Transducerne konverterer [derefter] lydenergien til elektriske signaler, som kan sendes gennem billedrekonstruktionsalgoritmer for at danne et mærkbart billede."
De ting, der ligger under
Indtil videre er PASS et igangværende arbejde. Holdet har demonstreret tredimensionel billeddannelse i høj opløsning i et kontrolleret laboratoriemiljø. Men dette, erkendte Fitzpatrick, er i en "container på størrelse med en stor akvarium", selvom teknologien nu er "tæt på scenen", hvor den kunne placeres over en stor swimmingpool.
Der er selvfølgelig en lille forskel mellem en stor swimmingpool og hele jordens oceaner, og det vil kræve betydeligt mere arbejde. Især en stor udfordring, der skal løses, før man tester i større, mere ukontrollerede miljøer, er, hvordan man tackler billeddannelse gennem vand med turbulente overfladebølger. Fitzpatrick sagde, at dette er en hovedskraber, men det er en, der "sikkert har gennemførlige løsninger", hvoraf nogle holdet allerede arbejder på.
"PASS kan bruges til at kortlægge dybderne af ukendte farvande, undersøge biologiske miljøer, søge efter tabte vragdele og potentielt meget mere," sagde han. "Er det ikke mærkeligt," tilføjede han, "at vi endnu ikke har udforsket hele den jord, vi lever på? Måske PASS kan ændre dette."
At kombinere lys og lyd for at løse luft-vand-grænsefladen ville være en game changer. Og efter det? Anbring hæren af kortlægningsdroner for endelig at hjælpe med at vise os, hvad der ligger under havets overflade.
Et papir, der beskriver PASS-projektet var for nylig offentliggjort i tidsskriftet IEEE Access.
Redaktørens anbefalinger
- En smart ny haptisk vest kunne lade redningshunde tage kommandoer på kilometers afstand
