Cartographier l’intégralité du fond océanique – depuis le ciel ?

Un de mes amis qui travaille dans la conception de jeux m'a récemment montré un modèle 3D de la Terre, rendu de manière très détaillée à l'aide de données topographiques. des données satellite précises, afin que nous puissions survoler les canyons et nos quartiers respectifs à grande vitesse comme une paire de balades en joie Surhommes. « Voyons si nous pouvons aller sous l’eau », dit-il, exalté, alors que nous survolions le Pacifique.

Nous ne pouvions pas. Le modèle, si incroyablement précis sur terre, ne contenait apparemment aucune donnée permettant de modéliser l’environnement sous-marin. C’était un vide non rendu sous la surface vitreuse de l’eau, comme s’il s’agissait d’une version subaquatique de Le spectacle de Truman, et nous avions atteint la fin du monde.

Aucun de nous n’a été particulièrement surpris. Le choc aurait été si les océans

avait été rendu. D’où proviendrait cette information? Et quelle aurait été sa précision? Cela aurait signifié que les créateurs du modèle savaient quelque chose que même les plus grands océanographes du monde ignorent.

Malgré tout l’enthousiasme légitime suscité par l’exploration de l’espace dans les années 2020 (Elon Musk est «très confiant" que les humains se dirigeront vers Mars d'ici 2026), les océans de notre planète restent un domaine largement inexploré et inconnu, beaucoup plus proche de chez nous. L’eau couvre environ 71 % de la surface de la Terre, et l’eau douce que nous buvons ne représente qu’un minuscule 3 %, soit un peu plus qu’une erreur d’arrondi. Mais l’écrasante majorité des océans de la Terre – jusqu’à 95 pour cent – ​​restent un mystère inexploré.

Alors qu'on est encore loin d'un équivalent Google Street View pour le monde sous-marin, un nouveau projet est en cours de réalisation. par des chercheurs de l’Université de Stanford pourrait ouvrir la voie à une telle chose dans le futur – et bien plus encore. en plus. Imaginez pouvoir piloter un avion au-dessus d’une étendue d’eau et voir, avec une clarté absolue, ce qui se cache sous les vagues.

Cela semble impossible. Il s’avère que c’est vraiment très difficile.

Le problème du lidar, le problème du sonar

« L'imagerie des environnements sous-marins à partir d'un système aéroporté est une tâche difficile, mais qui a de nombreuses applications potentielles » Aidan James Fitzpatrick, étudiant diplômé du département de génie électrique de l’Université de Stanford, a déclaré à Digital Trends.

Le candidat évident pour ce travail d’imagerie est le lidar. Le lidar est le technologie laser rebondie le plus célèbre pour aider les véhicules autonomes (non Tesla) à percevoir le monde qui les entoure. Il fonctionne en émettant des ondes lumineuses pulsées, puis en mesurant le temps qu'elles mettent pour rebondir sur les objets et revenir au capteur. Cela permet au capteur de calculer la distance parcourue par l’impulsion lumineuse et, par conséquent, de se forger une image du monde qui l’entoure. Si les voitures autonomes restent l’utilisation la plus connue du lidar, elles peuvent également être utilisées comme un puissant outil de cartographie dans d’autres contextes. Par exemple, des chercheurs l'ont utilisé en 2016 pour découvrez une ville perdue depuis longtemps cachée sous un feuillage dense dans la jungle cambodgienne.

Le Lidar n’est cependant pas approprié pour ce type de cartographie. Bien que les systèmes lidar avancés et de grande puissance fonctionnent bien dans des eaux extrêmement claires, une grande partie de l’océan – en particulier les eaux côtières – a tendance à être trouble et opaque à la lumière. En conséquence, a déclaré Fitzpatrick, une grande partie de l'imagerie sous-marine réalisée jusqu'à présent reposait sur des systèmes de sonar dans l'eau qui utilisent des ondes sonores capables de se propager facilement dans les eaux troubles.

Malheureusement, il y a aussi un problème ici. Les systèmes sonar dans l'eau sont montés ou remorqués par un bateau lent. L'imagerie aérienne, à l'aide d'un véhicule aéroporté volant, serait plus efficace car elle pourrait couvrir une zone beaucoup plus grande en moins de temps. Mais c’est impossible puisque les ondes sonores ne peuvent pas passer de l’air à l’eau puis revenir sans perdre 99,9999 % de leur énergie.

Qu'est-ce qui vient à PASS

Par conséquent, même si les systèmes lidar et radar ont cartographié l’ensemble du paysage terrestre (accent mis sur la « terre »), seulement environ 5 pour cent des eaux mondiales ont fait l’objet d’une imagerie et d’une cartographie. C'est l'équivalent d'une carte du monde qui ne montre que l'Australie et laisse le reste sombre comme un pays inexploré. L'ère des empires carte.

"Notre objectif est de proposer une technologie pouvant être montée sur un véhicule volant pour fournir une couverture à grande échelle tout en utilisant une technique d'imagerie robuste dans les eaux troubles", a déclaré Fitzpatrick. « Pour ce faire, nous développons ce que nous avons appelé un système de sonar photoacoustique aéroporté. PASS exploite les avantages de la propagation de la lumière dans l’air et de la propagation du son dans l’eau pour imager les environnements sous-marins à partir d’un système aéroporté.

PASS fonctionne comme ceci: tout d'abord, un système laser personnalisé spécial déclenche un éclat de lumière infrarouge qui est absorbée par environ le premier centimètre d'eau. Une fois l’absorption laser effectuée, l’eau se dilate thermiquement, créant des ondes sonores capables de se propager dans l’eau.

"Ces ondes sonores agissent désormais comme un signal sonar dans l'eau généré à distance à l'aide du laser", a poursuivi Fitzpatrick. « Les ondes sonores se refléteront sur les objets sous-marins et retourneront vers la surface de l’eau. Une partie de ce son – seulement environ 0,06 pour cent – ​​traverse l’interface air-eau et remonte vers le système aéroporté. Des récepteurs sonores à haute sensibilité, ou transducteurs, capturent ces ondes sonores. Les transducteurs convertissent ensuite l’énergie sonore en signaux électriques qui peuvent être transmis à des algorithmes de reconstruction d’image pour former une image perceptible.

Les choses qui se trouvent en dessous

Jusqu’à présent, PASS est un travail en cours. L’équipe a démontré une imagerie tridimensionnelle haute résolution dans un environnement de laboratoire contrôlé. Mais Fitzpatrick a reconnu que cela se trouve dans un « conteneur de la taille d’un grand aquarium », bien que la technologie soit désormais « proche du stade » où elle pourrait être déployée sur une grande piscine.

Il existe bien sûr une légère différence entre une grande piscine et l’ensemble des océans de la Terre, et cela nécessitera beaucoup plus de travail. En particulier, un défi majeur à résoudre avant d’effectuer des tests dans des environnements plus vastes et moins contrôlés est de savoir comment aborder l’imagerie à travers l’eau avec des ondes de surface turbulentes. Fitzpatrick a déclaré qu’il s’agissait d’un casse-tête, mais que celui-ci « comporte sûrement des solutions réalisables », sur lesquelles l’équipe travaille déjà.

"PASS pourrait être utilisé pour cartographier les profondeurs des eaux inexplorées, étudier les environnements biologiques, rechercher des épaves perdues et potentiellement bien plus encore", a-t-il déclaré. « N’est-il pas étrange, a-t-il ajouté, que nous n’ayons pas encore exploré la totalité de la Terre sur laquelle nous vivons? Peut-être que PASS peut changer cela.

Combiner la lumière et le son afin de résoudre l’interface air-eau changerait la donne. Et après ça? Faites appel à une armée de drones cartographiants pour enfin nous montrer ce qui se cache sous la surface de l’océan.

Un article décrivant le projet PASS a été récemment publié dans la revue IEEE Access.

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