Kogu ookeanipõhja kaardistamine – taevast?

Mu sõber, kes töötab mängude disainiga, näitas mulle hiljuti Maa 3D-mudelit, mis on topograafiliselt väga üksikasjalikult renderdatud täpsed satelliidiandmed, et saaksime hüpata suurel kiirusel läbi kanjonite ja vastavate linnaosade nagu paar rõõmu Super mees. "Vaatame, kas saame vee alla minna," ütles ta vaimustunult, kui lendasime üle Vaikse ookeani.

Me ei saanud. Mudelil, mis on maismaal nii vapustavalt täpne, ei olnud merealuse keskkonna modelleerimiseks ilmselt nullandmeid. See oli renderdamata tühimik vee klaasja pinna all, nagu oleks see mingi veealune versioon Trumani näitus, ja olime jõudnud maailma lõppu.

Kumbki meist ei olnud eriti üllatunud. Šokk oleks olnud, kui ookeanid oli renderdatud. Kust see teave oleks pärit? Ja kui täpne see oleks olnud? See oleks tähendanud, et modelli loojad teadsid midagi, mida isegi maailma parimad okeanograafid ei tea.

Kogu õigustatud põnevuse eest 2020. aastatel kosmose uurimisel (Elon Musk on "

väga enesekindel", et inimesed liiguvad 2026. aastaks Marsi poole), jäävad meie planeedi ookeanid suuresti kaardistamata ja tundmatuks piirkonnaks, mis on kodule palju lähemal. Vesi katab umbes 71 protsenti Maa pinnast, kusjuures magevee kraam, mida me joome, moodustab miinus 3 protsenti, mis on veidi rohkem kui ümardamisviga. Kuid valdav enamus Maa ookeanidest - kuni 95 protsenti - on uurimata mõistatus.

Kuigi me oleme Google'i tänavavaate ekvivalendist merealuse maailma jaoks veel väga kaugel, on käimas uus projekt Stanfordi ülikooli teadlaste väljatöötamine võiks sillutada teed just sellisele asjale tulevikus – ja veel paljule muule Pealegi. Kujutage ette, kuidas saate lennata lennukiga üle veeala ja näha täiesti selgelt, mis lainete all peidab.

See kõlab võimatuna. Nagu selgub, on see lihtsalt väga-väga raske.

Probleem lidariga, häda sonariga

"Veealuste keskkondade pildistamine õhus olevast süsteemist on keeruline ülesanne, kuid sellel on palju potentsiaalseid rakendusi." Aidan James Fitzpatrick, Stanfordi ülikooli elektrotehnika osakonna magistrant, rääkis Digital Trendsile.

Selle pilditöö ilmselge kandidaat on lidar. Lidar on põrganud lasertehnoloogia kõige kuulsam selle poolest, et aitab (mitte-Tesla) autonoomsetel sõidukitel ümbritsevat maailma tajuda. See toimib, kiirgades impulssvalguslaineid ja seejärel mõõtes, kui kaua neil kulub objektidelt tagasi põrkamiseks ja andurisse naasmiseks. See võimaldab anduril arvutada, kui kaugele valgusimpulss läbis, ja selle tulemusena luua pildi ümbritsevast maailmast. Kuigi isejuhtivad autod on lidari tuntuim kasutusala, saab seda kasutada võimsa kaardistamisvahendina ka muudes kontekstides. Näiteks kasutasid teadlased seda 2016. aastal paljastage peidetud ammu kadunud linn tiheda lehestiku all Kambodža džunglis.

Lidar ei sobi siiski seda tüüpi kaardistamiseks. Kuigi täiustatud suure võimsusega lidarisüsteemid toimivad hästi ka äärmiselt selges vees, kipub suur osa ookeanist – eriti rannikuvetes – olema hägune ja valgusele läbipaistmatu. Selle tulemusena ütles Fitzpatrick, et suur osa seni tehtud veealusest pildistusest on tuginenud veesisestele sonarisüsteemidele, mis kasutavad helilaineid, mis suudavad kergesti levida läbi häguste vete.

Kahjuks on ka siin konks. Veesisesed sonarisüsteemid paigaldatakse aeglaselt liikuvale paadile või pukseeritakse sellega. Lendava õhusõiduki abil õhust pildistamine oleks tõhusam, kuna see võib katta palju suurema ala lühema ajaga. Kuid see on võimatu, kuna helilained ei pääse õhust vette ja sealt tagasi, kaotamata 99,9999 protsenti oma energiast.

Mis tuleb PASS-ile

Järelikult on lidar- ja radarisüsteemid kaardistanud kogu Maa maastiku (rõhuasetus „maa”), on sarnase pildistamise objektiks olnud vaid umbes 5 protsenti maailma vetest kaardistamine. See on samaväärne maailmakaardiga, mis näitab ainult Austraaliat ja jätab ülejäänud osa sellest tumedaks nagu mõni uurimata Impeeriumide ajastu kaart.

"Meie eesmärk on pakkuda välja tehnoloogia, mida saab paigaldada lendavale sõidukile, et tagada laiaulatuslik katvus, kasutades samal ajal häguses vees vastupidavat pilditehnikat," ütles Fitzpatrick. „Selleks töötame välja fotoakustilise õhusonarisüsteemi. PASS kasutab õhus leviva valguse ja vees heli levimise eeliseid veealuse keskkonna pildistamiseks õhus leviva süsteemi kaudu.

PASS toimib järgmiselt: Esiteks laseb spetsiaalne kohandatud lasersüsteem infrapunavalguse purske, mille neelab umbes esimene sentimeeter vett. Kui laseri neeldumine on toimunud, paisub vesi termiliselt, luues helilaineid, mis on võimelised vette liikuma.

"Need helilained toimivad nüüd veesisese sonari signaalina, mis genereeriti laseriga eemalt," jätkas Fitzpatrick. "Helilained peegelduvad veealustelt objektidelt ja liiguvad tagasi veepinna poole. Osa sellest helist – ainult umbes 0,06 protsenti – läbib õhu-vee liidest ja liigub õhusüsteemi poole. Kõrge tundlikkusega helivastuvõtjad ehk muundurid püüavad need helilained kinni. Muundurid muudavad helienergia elektrilisteks signaalideks, mida saab läbi pildi rekonstrueerimise algoritmide edastada, et moodustada tajutav pilt.

Asjad, mis peituvad all

Seni on PASS pooleli. Meeskond on demonstreerinud kõrge eraldusvõimega kolmemõõtmelist pildistamist kontrollitud laborikeskkonnas. Kuid Fitzpatrick tunnistas, et see on "suure kalapaagi suuruses konteineris", kuigi tehnoloogia on nüüd "järgu lähedal", kus seda saab kasutada suure basseini kohal.

Muidugi on suurel basseinil ja kogu Maa ookeanil väike erinevus ja see nõuab tunduvalt rohkem tööd. Eriti suur väljakutse, mis tuleb enne suuremates ja kontrollimatumates keskkondades katsetamist lahendada, on see, kuidas lahendada turbulentse pinnalainetega vee kaudu pildistamine. Fitzpatrick ütles, et see on peamurdja, kuid sellel on "kindlasti teostatavad lahendused", millest mõnede kallal meeskond juba töötab.

"PASSi saaks kasutada kaardistamata vete sügavuste kaardistamiseks, bioloogiliste keskkondade uurimiseks, kadunud rusude otsimiseks ja potentsiaalselt palju muuks," ütles ta. "Kas pole imelik," lisas ta, "et me peame veel uurima kogu Maad, millel me elame? Võib-olla saab PASS seda muuta.

Valguse ja heli kombineerimine õhk-vesi liidese lahendamiseks oleks mängu muutja. Ja pärast seda? Tooge kaardistavate droonide armee, et lõpuks ometi näidata meile, mis peitub ookeani pinna all.

PASS-projekti kirjeldav paber oli avaldati hiljuti ajakirjas IEEE Access.

Toimetajate soovitused

• Nutikas uus haptiline vest võimaldab päästekoertel võtta käsklusi kilomeetrite kauguselt