Viso vandenyno dugno žemėlapis – iš dangaus?

Mano draugas, dirbantis žaidimų dizaino srityje, neseniai man parodė 3D Žemės modelį, labai detaliai atvaizduotą topografiškai. tikslūs palydoviniai duomenys, kad galėtume dideliu greičiu skraidyti per kanjonus ir atitinkamas mūsų apylinkes kaip linksmybių pora Supermenas. „Pažiūrėkime, ar galime palįsti po vandeniu“, – susijaudinęs pasakė jis, kai skridome virš Ramiojo vandenyno.

Mes negalėjome. Modelis, toks stulbinančiai tikslus sausumoje, matyt, neturėjo jokių duomenų, kuriais būtų galima modeliuoti povandeninę aplinką. Tai buvo neperteikta tuštuma po stikliniu vandens paviršiumi, tarsi tai būtų kokia nors povandeninė vandens versija. Trumano šou, ir mes pasiekėme pasaulio pabaigą.

Nė vienas iš mūsų nebuvo ypač nustebęs. Šokas būtų buvęs, jei vandenynai turėjo buvo perteiktas. Iš kur ta informacija galėjo atsirasti? Ir kiek tiksliai būtų buvę? Tai būtų reiškę, kad modelio kūrėjai žinojo tai, ko nežino net žymiausi pasaulio okeanografai.

Dėl visų pateisinamų įspūdžių tyrinėjant kosmosą 2020-aisiais (Elonas Muskas yra „labai pasitikintis“, kad žmonės iki 2026 m. skris Marso link), mūsų planetos vandenynai išlieka beveik neatrasta ir nežinoma sritis, kuri yra daug arčiau namų. Vanduo dengia maždaug 71 procentą Žemės paviršiaus, o mūsų geriamas gėlas vanduo sudaro tik 3 procentus, o tai yra šiek tiek daugiau nei apvalinimo klaida. Tačiau didžioji dalis Žemės vandenynų – iki 95 procentų – yra neištirta paslaptis.

Kol dar toli nuo „Google Street View“ atitikmens povandeniniam pasauliui, vykdomas naujas projektas Stenfordo universiteto mokslininkai galėtų atverti kelią būtent tokiam dalykui ateityje – ir daug daugiau be to. Įsivaizduokite, kaip galite skristi lėktuvu virš vandens ruožo ir visiškai aiškiai pamatyti, kas slepiasi po bangomis.

Skamba neįmanoma. Kaip paaiškėjo, tai tiesiog tikrai labai sunku.

Problema su lidaru, bėda su sonaru

„Povandeninės aplinkos vaizdavimas iš oro sistemos yra sudėtinga užduotis, tačiau ji turi daug galimų pritaikymų. Aidanas Jamesas Fitzpatrickas, Stanfordo universiteto elektrotechnikos katedros magistrantas, pasakojo „Digital Trends“.

Akivaizdus kandidatas į šį vaizdo gavimo darbą yra lidaras. Lidaras yra atšokusi lazerinė technologija labiausiai žinomas dėl to, kad padeda (ne Tesla) autonominėms transporto priemonėms suvokti juos supantį pasaulį. Jis veikia skleidžiant impulsines šviesos bangas ir matuojant, kiek laiko užtrunka, kad atsimuštų į objektus ir sugrįžtų į jutiklį. Tai leidžia jutikliui apskaičiuoti, kiek toli nukeliavo šviesos impulsas, ir dėl to susidaryti jį supančio pasaulio vaizdą. Nors savarankiškai važiuojantys automobiliai išlieka geriausiai žinomu lidar naudojimu, jis gali būti naudojamas kaip galingas žemėlapių sudarymo įrankis ir kituose kontekstuose. Pavyzdžiui, mokslininkai jį panaudojo 2016 m Atraskite seniai prarastą paslėptą miestą po tankia lapijos danga Kambodžos džiunglėse.

Tačiau „Lidar“ netinka tokiam žemėlapių sudarymui. Nors pažangios, didelės galios lidar sistemos puikiai veikia itin skaidriuose vandenyse, didžioji vandenyno dalis, ypač pakrantės vanduo, būna drumsta ir nepermatoma šviesai. Dėl to, pasak Fitzpatricko, didžioji dalis iki šiol atliktų povandeninių vaizdų buvo pagrįsti vandenyje esančiomis sonaro sistemomis, kurios naudoja garso bangas, galinčias lengvai sklisti per drumstą vandenį.

Deja, čia taip pat yra kibimas. Vandenyje esančios sonaro sistemos yra pritvirtintos prie lėtai judančios valties arba jos velkamos. Vaizdas iš oro, naudojant skraidančią orlaivį, būtų veiksmingesnis, nes per trumpesnį laiką būtų galima aprėpti daug didesnį plotą. Tačiau tai neįmanoma, nes garso bangos negali pereiti iš oro į vandenį ir atgal, neprarasdamos 99,9999 procentų savo energijos.

Kas ateina į PASS

Vadinasi, o lidar ir radaro sistemos nubrėžė visą Žemės kraštovaizdį (pabrėžkite „žemė“), tik maždaug 5 procentai pasaulio vandenų buvo panašių vaizdų objektas ir kartografavimas. Tai atitinka pasaulio žemėlapį, kuriame pavaizduota tik Australija, o likusi dalis paliekama tamsi, kaip neištirta Imperiju amžius žemėlapį.

„Mūsų tikslas yra pasiūlyti technologiją, kurią būtų galima montuoti skraidančioje transporto priemonėje, kad būtų užtikrintas didelio masto aprėptis, naudojant vaizdo gavimo techniką, kuri yra tvirta drumstame vandenyje“, – sakė Fitzpatrickas. „Siekdami tai padaryti, kuriame fotoakustinę oro sonaro sistemą. PASS išnaudoja šviesos sklidimo ore ir garso sklidimo vandenyje pranašumus, kad būtų galima atvaizduoti povandeninę aplinką iš oro sistemos.

PASS veikia taip: pirma, speciali pritaikyta lazerinė sistema paleidžia infraraudonųjų spindulių pliūpsnį, kurį sugeria maždaug pirmasis centimetras vandens. Kai lazeris absorbuojamas, vanduo termiškai plečiasi, sukurdamas garso bangas, kurios gali patekti į vandenį.

"Šios garso bangos dabar veikia kaip sonaro signalas vandenyje, kuris buvo nuotoliniu būdu generuojamas naudojant lazerį", - tęsė Fitzpatrickas. „Garso bangos atsispindės nuo povandeninių objektų ir nukeliaus atgal link vandens paviršiaus. Dalis šio garso – tik apie 0,06 proc. – kerta oro ir vandens sąsają ir sklinda link oro sistemos. Didelio jautrumo garso imtuvai arba keitikliai fiksuoja šias garso bangas. Keitikliai [tada] paverčia garso energiją elektriniais signalais, kurie gali būti perduodami naudojant vaizdo atkūrimo algoritmus, kad susidarytų juntamas vaizdas.

Daiktai, kurie slypi apačioje

Kol kas PASS yra nebaigtas darbas. Komanda pademonstravo didelės raiškos trimačius vaizdus kontroliuojamoje laboratorijos aplinkoje. Tačiau Fitzpatrick pripažino, kad tai yra „didelio žuvų rezervuaro dydžio konteineryje“, nors technologija dabar yra „arti tokio etapo“, kai ją būtų galima panaudoti dideliame baseine.

Žinoma, yra nedidelis skirtumas tarp didelio baseino ir visų Žemės vandenynų, ir tai pareikalaus daug daugiau darbo. Visų pirma, didelis iššūkis, kurį reikia išspręsti prieš atliekant bandymus didesnėje, labiau nekontroliuojamoje aplinkoje, yra tai, kaip išspręsti vaizdo gavimą per vandenį su neramiomis paviršiaus bangomis. Fitzpatrickas sakė, kad tai yra galvosūkis, tačiau jis „tikrai turi įmanomų sprendimų“, prie kai kurių iš jų komanda jau dirba.

„PASS galėtų būti naudojamas dar neatrastų vandenų gelmių žemėlapiams nustatyti, biologinei aplinkai tirti, dingusių nuolaužų paieškai ir galbūt daug daugiau“, – sakė jis. „Ar nekeista, – pridūrė jis, – kad dar turime ištirti visą Žemę, kurioje gyvename? Galbūt PASS gali tai pakeisti.

Šviesos ir garso derinimas, siekiant išspręsti oro ir vandens sąsają, pakeistų žaidimą. Ir po to? Įveskite kartografuojančių dronų armiją, kad pagaliau parodytumėte, kas slypi po vandenyno paviršiumi.

Buvo dokumentas, kuriame aprašomas PASS projektas neseniai paskelbtas žurnale IEEE Access.

Redaktorių rekomendacijos

• Išmani nauja liemenė gali leisti šunims gelbėtojams priimti komandas iš mylių