전체 해저 지도 작성 - 하늘에서?

게임 디자인 분야에서 일하는 내 친구가 최근 나에게 지형학을 사용하여 매우 자세하게 렌더링된 지구의 3D 모델을 보여주었습니다. 정확한 위성 데이터를 통해 우리는 한 쌍의 놀이기구처럼 협곡과 각자의 이웃을 빠른 속도로 날아갈 수 있습니다. 슈퍼맨. 우리가 태평양 상공으로 날아가는 동안 그는 “물속에 갈 수 있는지 봅시다”라고 신이 나서 말했습니다.

우리는 할 수 없었습니다. 육지에서는 놀라울 정도로 정확한 이 모델에는 해저 환경을 모델링할 데이터가 전혀 없었습니다. 그것은 물의 유리 표면 아래 렌더링되지 않은 공허였습니다. 마치 수중 버전의 것 같았습니다. 트루먼 쇼, 그리고 우리는 세상의 끝에 도달했습니다.

우리 중 누구도 특별히 놀라지 않았습니다. 바다가 있었다면 충격이었을 것이다. 가졌다 렌더링되었습니다. 그 정보는 어디서 왔을까요? 그리고 얼마나 정확했을까요? 이는 모델 제작자가 세계 최고의 해양학자조차 모르는 사실을 알고 있다는 의미일 것입니다.

2020년대 우주 탐험에 대한 모든 정당한 흥분에 대해(Elon Musk는 “자신감이 넘친다” 인간은 2026년까지 화성을 향해 돌진할 것입니다), 우리 행성의 바다는 집에 훨씬 더 가까운 미지의 영역으로 남아 있습니다. 물은 지구 표면의 약 71%를 덮고 있으며, 우리가 마시는 담수는 반올림 오류보다 조금 더 작은 3%를 차지합니다. 그러나 지구 해양의 압도적인 대부분(최대 95%)은 아직 탐험되지 않은 미스터리입니다.

해저 세계에 해당하는 Google 스트리트 뷰와는 아직 거리가 멀지만 새로운 프로젝트가 진행되고 있습니다. 스탠포드 대학 연구진의 연구 결과는 미래에 그러한 일을 위한 길을 닦을 수 있으며 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다. 게다가. 비행기를 타고 바다 위로 날아가서 파도 밑에 무엇이 숨겨져 있는지 아주 명확하게 볼 수 있다고 상상해보세요.

불가능할 것 같습니다. 결과적으로는 정말 정말 어렵습니다.

LiDAR의 문제, Sonar의 문제

"공중 시스템에서 수중 환경을 이미징하는 것은 어려운 작업이지만 잠재적인 응용 분야가 많습니다." 에이단 제임스 피츠패트릭스탠포드 대학교 전기공학과 대학원생인 는 Digital Trends에 말했습니다.

이 이미징 작업의 확실한 후보는 LiDAR입니다. 라이더는 바운스 레이저 기술 (Tesla가 아닌) 자율 차량이 주변 세계를 인식하도록 돕는 것으로 가장 유명합니다. 펄스형 광파를 방출한 다음 물체에서 반사되어 센서로 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하는 방식으로 작동합니다. 이를 통해 센서는 광 펄스가 얼마나 멀리 이동했는지 계산하고 결과적으로 주변 세계에 대한 그림을 구축할 수 있습니다. 자율주행차는 LiDAR의 가장 잘 알려진 용도로 남아 있지만 다른 상황에서도 강력한 매핑 도구로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 연구자들은 2016년에 이를 다음과 같이 사용했습니다. 오랫동안 잊혀진 숨겨진 도시를 찾아보세요 캄보디아 정글의 빽빽한 나뭇잎 아래.

하지만 Lidar는 이러한 종류의 매핑에는 적합하지 않습니다. 첨단 고출력 라이더 시스템은 극도로 맑은 바다에서 잘 작동하지만, 대부분의 바다, 특히 연안 해역은 탁하고 빛이 불투명한 경향이 있습니다. 결과적으로, Fitzpatrick은 현재까지 수행된 수중 이미징의 대부분이 탁한 물을 통해 쉽게 전파될 수 있는 음파를 사용하는 수중 음파 탐지 시스템에 의존해 왔다고 말했습니다.

불행히도 여기에도 문제가 있습니다. 수중 음파 탐지기 시스템은 느리게 움직이는 보트에 장착되거나 견인됩니다. 비행체를 사용하여 공중에서 이미징하는 것은 더 짧은 시간에 훨씬 더 넓은 영역을 커버할 수 있기 때문에 더 효과적입니다. 그러나 음파는 99.9999%의 에너지를 잃지 않고 공기에서 물로 전달되었다가 다시 돌아올 수 없기 때문에 불가능합니다.

PASS는 어떻게 되나요?

결과적으로 LiDAR 및 레이더 시스템은 지구의 전체 풍경을 매핑했지만(강조 "육지"), 전 세계 수역의 약 5%만이 유사한 이미징의 대상이었으며 매핑. 그것은 호주만 보여주고 나머지는 탐험되지 않은 곳처럼 어둡게 남겨둔 세계 지도와 같습니다. 에이지 오브 엠파이어 지도.

Fitzpatrick은 “우리의 목표는 어두운 물에서도 강력한 이미징 기술을 사용하면서 대규모 커버리지를 제공하기 위해 비행 차량에 장착할 수 있는 기술을 제안하는 것입니다.”라고 말했습니다. “이를 위해 우리는 광음향 공중 소나 시스템(Photoacoustic Airborne Sonar System)을 개발하고 있습니다. PASS는 공중 시스템에서 수중 환경을 이미지화하기 위해 공기 중 빛 전파와 수중 소리 전파의 이점을 활용합니다.”

PASS는 다음과 같이 작동합니다. 첫째, 특수 맞춤형 레이저 시스템이 1센티미터 정도의 물에 흡수되는 적외선을 발사합니다. 레이저 흡수가 발생하면 물이 열적으로 팽창하여 물 속으로 이동할 수 있는 음파를 생성합니다.

Fitzpatrick은 "이러한 음파는 이제 레이저를 사용하여 원격으로 생성된 수중 소나 신호로 작동합니다."라고 말했습니다. “음파는 수중 물체에 반사되어 수면을 향해 다시 이동합니다. 이 소리 중 일부(약 0.06%)는 공기와 물의 경계면을 건너 공중 시스템을 향해 올라갑니다. 고감도 사운드 수신기 또는 변환기는 이러한 음파를 포착합니다. 그런 다음 변환기는 소리 에너지를 이미지 재구성 알고리즘을 통해 전달될 수 있는 전기 신호로 변환하여 인지 가능한 이미지를 형성합니다.”

그 아래에 있는 것들

지금까지 PASS는 진행 중인 작업입니다. 팀은 통제된 실험실 환경에서 고해상도 3차원 이미징을 시연했습니다. 그러나 Fitzpatrick은 이 기술이 이제 대형 수영장 위에 배치될 수 있는 "무대에 가깝지만" "대형 수조 크기의 용기"에 있다고 인정했습니다.

물론 대형 수영장과 지구의 바다 전체 사이에는 약간의 차이가 있으며, 이를 위해서는 훨씬 더 많은 작업이 필요합니다. 특히 더 크고 통제되지 않은 환경에서 테스트하기 전에 해결해야 할 큰 과제는 난류 표면파가 있는 물 속에서 이미징을 처리하는 방법입니다. Fitzpatrick은 이것이 머리를 긁는 일이지만 "확실히 실행 가능한 솔루션이 있는" 솔루션이며 팀이 이미 작업 중인 일부 솔루션이라고 말했습니다.

“PASS는 미지의 해역 깊이를 파악하고, 생물학적 환경을 조사하고, 잃어버린 잔해를 찾는 등 잠재적으로 훨씬 더 많은 일을 하는 데 사용될 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “우리가 살고 있는 지구 전체를 아직 탐험하지 못했다는 것이 이상하지 않나요?”라고 그는 덧붙였습니다. 아마도 PASS가 이것을 바꿀 수 있을 것입니다.”

공기-물 인터페이스를 해결하기 위해 빛과 소리를 결합하는 것은 게임 체인저가 될 것입니다. 그리고 나서? 마침내 바다 표면 아래에 무엇이 있는지 보여주기 위해 매핑 드론 군대를 데려오세요.

PASS 프로젝트를 설명하는 논문은 다음과 같습니다. 최근 IEEE Access 저널에 게재됨.

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