Koko valtameren pohjan kartoitus – taivaalta?

Ystäväni, joka työskentelee pelien suunnittelussa, näytti minulle äskettäin 3D-mallin maapallosta, joka on renderöity erittäin yksityiskohtaisesti topografisesti. tarkat satelliittitiedot, jotta voisimme kohota kanjonien ja naapurustojemme läpi suurella nopeudella kuin lenkkeilijä Super miehet. "Katsotaan, voimmeko mennä veden alle", hän sanoi innostuneena lentäessämme Tyynenmeren yli.

Emme voineet. Mallilla, joka oli niin hämmästyttävän tarkka maalla, ei ilmeisesti ollut nolladataa vedenalaisen ympäristön mallintamiseen. Se oli renderöimätön tyhjyys veden lasimaisen pinnan alla, ikään kuin tämä olisi jokin vedenalainen versio The Truman Show, ja olimme saavuttaneet maailmanlopun.

Kumpikaan meistä ei ollut erityisen yllättynyt. Järkytys olisi ollut, jos valtameret oli renderöity. Mistä se tieto olisi tullut? Ja kuinka tarkka se olisi ollut? Se olisi tarkoittanut, että mallin luojat tiesivät jotain, mitä edes maailman johtavat merentutkijat eivät tiedä.

Kaikesta oikeutetusta jännityksestä, joka liittyy avaruuden tutkimiseen 2020-luvulla (Elon Musk on "erittäin luottavainen", että ihmiset raketoivat kohti Marsia vuoteen 2026 mennessä), planeettamme valtameret ovat edelleen suurelta osin kartoittamaton ja tuntematon alue, joka on paljon lähempänä kotia. Vesi peittää noin 71 prosenttia maapallon pinnasta, ja juomamme makean veden osuus on vain 3 prosenttia, mikä on hieman enemmän kuin pyöristysvirhe. Mutta suurin osa Maan valtameristä – jopa 95 prosenttia – on tutkimaton mysteeri.

Vaikka olemme vielä kaukana merenalaisen maailman vastaavasta Google Street View'sta, uusi projekti on käynnissä Stanfordin yliopiston tutkijoiden tekemät tulokset voisivat tasoittaa tietä juuri tällaiselle asialle tulevaisuudessa – ja paljon muulle sitä paitsi. Kuvittele, että voit lentää lentokoneella vesialueen yli ja nähdä täysin selkeästi, mitä aaltojen alla piilee.

Kuulostaa mahdottomalta. Kuten käy ilmi, se on vain todella, todella vaikeaa.

Ongelma lidarin kanssa, ongelma kaikuluotaimen kanssa

"Vedenalaisten ympäristöjen kuvaaminen ilmassa on haastava tehtävä, mutta sillä on monia mahdollisia sovelluksia." Aidan James Fitzpatrick, jatko-opiskelija Stanfordin yliopiston sähkötekniikan laitokselta, kertoi Digital Trendsille.

Ilmeinen ehdokas tähän kuvantamistyöhön on lidar. Lidar on pomppiva lasertekniikka tunnetuin siitä, että se auttoi (ei-Teslan) autonomisia ajoneuvoja havaitsemaan ympäröivää maailmaa. Se toimii lähettämällä pulssivaloaaltoja ja mittaamalla sitten, kuinka kauan ne kestää pomppia esineistä ja palata anturiin. Näin anturi voi laskea valopulssin matkan ja sen seurauksena muodostaa kuvan ympäröivästä maailmasta. Vaikka itseajavat autot ovat edelleen tunnetuin lidarin käyttötapa, sitä voidaan käyttää tehokkaana kartoitustyökaluna myös muissa yhteyksissä. Esimerkiksi tutkijat käyttivät sitä vuonna 2016 paljastaa kauan kadoksissa ollut piilotettu kaupunki tiheän lehtien alla Kambodžan viidakossa.

Lidar ei kuitenkaan sovellu tällaiseen kartoitukseen. Vaikka edistyneet, tehokkaat lidar-järjestelmät toimivat hyvin erittäin kirkkaissa vesissä, suuri osa valtamerestä – erityisesti rannikkovesistä – on yleensä sameaa ja valoa läpäisemätöntä. Tämän seurauksena Fitzpatrick sanoi, että suuri osa tähän mennessä tehdystä vedenalaisesta kuvantamisesta on perustunut veden sisäisiin luotainjärjestelmiin, jotka käyttävät ääniaaltoja, jotka pystyvät leviämään helposti hämärissä vesissä.

Valitettavasti tässäkin on saalis. Vedessä olevat luotainjärjestelmät asennetaan hitaasti liikkuvaan veneeseen tai hinataan sellaisella. Kuvaus ilmasta lentävällä lentokoneella olisi tehokkaampaa, koska se voisi kattaa paljon suuremman alueen lyhyemmässä ajassa. Mutta se on mahdotonta, koska ääniaallot eivät voi siirtyä ilmasta veteen ja sitten takaisin menettämättä 99,9999 prosenttia energiastaan.

Mitä tulee PASS: iin

Näin ollen, vaikka lidar- ja tutkajärjestelmät ovat kartoittaneet koko maapallon maiseman (painotettu "maa"), vain noin 5 prosenttia maailman vesistä on ollut samanlaisen kuvantamisen ja kartoitus. Se vastaa maailmankarttaa, joka näyttää vain Australian ja jättää muun osan pimeäksi kuin jotkut tutkimatta Age of Empires kartta.

"Tavoitteemme on ehdottaa tekniikkaa, joka voidaan asentaa lentävään ajoneuvoon laajamittaisen peiton saamiseksi käyttämällä kuvantamistekniikkaa, joka on kestävä hämärässä vedessä", Fitzpatrick sanoi. "Tätä varten kehitämme fotoakustista ilmaluotainjärjestelmää. PASS hyödyntää valon etenemisen ilmassa ja äänen etenemisen etuja vedessä kuvaamaan vedenalaisia ​​ympäristöjä ilmassa olevasta järjestelmästä.

PASS toimii näin: Ensinnäkin erityinen mukautettu laserjärjestelmä laukaisee infrapunavalopurskeen, joka imeytyy noin ensimmäiseen senttimetriin vettä. Kun laser absorptio on tapahtunut, vesi laajenee termisesti luoden ääniaaltoja, jotka voivat kulkea veteen.

"Nämä ääniaallot toimivat nyt vedessä luotainsignaalina, joka luotiin etänä laserilla", Fitzpatrick jatkoi. ”Ääniaallot heijastavat vedenalaisista esineistä ja kulkevat takaisin kohti veden pintaa. Osa tästä äänestä – vain noin 0,06 prosenttia – ylittää ilman ja veden rajapinnan ja kulkee ylöspäin kohti ilmajärjestelmää. Erittäin herkät äänivastaanottimet tai muuntimet vangitsevat nämä ääniaallot. Muuntimet [sitten] muuttavat äänienergian sähköisiksi signaaleiksi, jotka voidaan ohjata kuvan rekonstruktioalgoritmien läpi havaittavan kuvan muodostamiseksi.

Asioita, jotka ovat alla

Toistaiseksi PASS on työn alla. Tiimi on osoittanut korkearesoluutioista, kolmiulotteista kuvantamista valvotussa laboratorioympäristössä. Mutta tämä, Fitzpatrick myönsi, on "suuren kalasäiliön kokoisessa säiliössä", vaikka tekniikka on nyt "lähellä vaihetta", jossa sitä voitaisiin käyttää suuren uima-altaan yli.

Suuren uima-altaan ja koko maapallon valtameren välillä on tietysti pieni ero, ja tämä vaatii huomattavasti enemmän työtä. Erityisesti suuri haaste, joka on ratkaistava ennen testaamista suuremmissa, hallitsemattomimmissa ympäristöissä, on käsitellä veden läpi tapahtuvaa kuvantamista pyörteillä pinta-aalloilla. Fitzpatrick sanoi, että tämä on pään raapiminen, mutta sillä "on varmasti toteuttamiskelpoisia ratkaisuja", joista osa on jo työskennellyt.

"PASSia voitaisiin käyttää kartoittamattomien vesien syvyyksien kartoittamiseen, biologisten ympäristöjen tutkimiseen, kadonneiden hylkyjen etsimiseen ja mahdollisesti paljon muuhun", hän sanoi. "Eikö ole outoa", hän lisäsi, "että meidän on vielä tutkittava koko maapallo, jolla elämme? Ehkä PASS voi muuttaa tämän.”

Valon ja äänen yhdistäminen ilma-vesi-rajapinnan ratkaisemiseksi olisi pelin muuttaja. Ja sen jälkeen? Ota käyttöön karttadroneiden armeija ja auta vihdoin näyttämään meille, mitä meren pinnan alla piilee.

PASS-projektia kuvaava paperi oli julkaistu äskettäin IEEE Access -lehdessä.

Toimittajien suositukset

• Uusi älykäs haptinen liivi voi antaa pelastuskoirien ottaa komentoja kilometrien päästä