Visa okeāna dibena kartēšana — no debesīm?

Mans draugs, kurš strādā spēļu dizainā, nesen man parādīja Zemes 3D modeli, kas ļoti detalizēti atveidots, izmantojot topogrāfiski. precīzi satelīta dati, lai mēs varētu lidot cauri kanjoniem un mūsu attiecīgajiem rajoniem lielā ātrumā, piemēram, izbraucienā. Supervīri. "Paskatīsimies, vai varam doties zem ūdens," viņš sajūsmināts sacīja, kad mēs lidojām pāri Klusajam okeānam.

Mēs nevarējām. Modelim, kas bija tik satriecoši precīzs uz sauszemes, acīmredzot nebija datu, ar kuriem modelēt zemūdens vidi. Tas bija neatveidots tukšums zem ūdens stiklveida virsmas, it kā šī būtu kāda zemūdens versija Trūmena šovs, un mēs bijām sasnieguši pasaules galu.

Neviens no mums nebija īpaši pārsteigts. Šoks būtu bijis, ja okeāni bija ir renderēts. No kurienes šī informācija būtu nākusi? Un cik precīzi tas būtu bijis? Tas nozīmētu, ka modeļa veidotāji zināja kaut ko tādu, ko nezina pat pasaules izcilākie okeanogrāfi.

Par visu attaisnojamo aizrautību saistībā ar kosmosa izpēti 2020. gados (Elons Masks ir “ļoti pārliecināts”, ka līdz 2026. gadam cilvēki ar raķetēm virzīsies uz Marsu), mūsu planētas okeāni joprojām ir lielā mērā neatzīmēts un nezināms apgabals, kas atrodas daudz tuvāk mājām. Ūdens klāj aptuveni 71 procentu no Zemes virsmas, un saldūdens produkti, ko mēs dzeram, veido tikai 3 procentus, kas ir nedaudz vairāk par noapaļošanas kļūdu. Taču lielākā daļa Zemes okeānu — līdz pat 95 procentiem — ir neizpētīts noslēpums.

Kamēr mēs vēl esam tālu no Google Street View ekvivalenta zemūdens pasaulei, tiek īstenots jauns projekts Stenfordas universitātes pētnieki varētu pavērt ceļu tieši šādai lietai nākotnē — un vēl daudz vairāk Turklāt. Iedomājieties, ka spējat lidot ar lidmašīnu virs ūdens zonas un pilnīgi skaidri redzēt, kas slēpjas zem viļņiem.

Tas izklausās neiespējami. Kā izrādās, tas ir vienkārši ļoti, ļoti grūti.

Problēma ar lidaru, problēmas ar hidrolokatoru

"Zemūdens vides attēlveidošana no gaisa sistēmas ir sarežģīts uzdevums, taču tam ir daudz potenciālu pielietojumu." Aidans Džeimss Ficpatriks, Stenfordas Universitātes elektrotehnikas katedras absolvents, pastāstīja Digital Trends.

Acīmredzamais kandidāts šim attēlveidošanas darbam ir lidars. Lidars ir atlēcoša lāzera tehnoloģija visslavenākais ar to, ka palīdz autonomiem transportlīdzekļiem (kas nav Tesla) uztvert apkārtējo pasauli. Tas darbojas, izstarojot impulsa gaismas viļņus un pēc tam mērot, cik ilgs laiks nepieciešams, lai tie atsitu no objektiem un atgrieztos sensorā. Tas ļauj sensoram aprēķināt gaismas impulsa attālumu un tādējādi izveidot apkārtējās pasaules attēlu. Lai gan pašbraucošās automašīnas joprojām ir vispazīstamākais lidar lietojums, to var izmantot kā jaudīgu kartēšanas rīku arī citos kontekstos. Piemēram, pētnieki to izmantoja 2016. gadā, lai Atklājiet sen pazaudētu pilsētu zem blīva lapotnes seguma Kambodžas džungļos.

Tomēr Lidar nav piemērots šāda veida kartēšanai. Lai gan uzlabotas, lieljaudas lidar sistēmas labi darbojas ārkārtīgi dzidros ūdeņos, liela daļa okeāna — īpaši piekrastes ūdens — mēdz būt duļķains un gaismas necaurredzams. Rezultātā Ficpatriks sacīja, ka liela daļa zemūdens attēlveidošanas, kas veikta līdz šim, ir balstīta uz ūdenī iebūvētām hidrolokatoru sistēmām, kas izmanto skaņas viļņus, kas spēj viegli izplatīties pa duļķainiem ūdeņiem.

Diemžēl arī šeit ir kāds āķis. Ūdens hidrolokatoru sistēmas ir piestiprinātas pie lēnas kustības laivas vai velk ar to. Attēlu veidošana no gaisa, izmantojot lidojošu gaisa transportlīdzekli, būtu efektīvāka, jo tā varētu aptvert daudz lielāku platību īsākā laikā. Taču tas nav iespējams, jo skaņas viļņi nevar pāriet no gaisa ūdenī un pēc tam atpakaļ, nezaudējot 99,9999 procentus savas enerģijas.

Kas nāk PASS

Līdz ar to, lai gan lidara un radara sistēmas ir kartējušas visu Zemes ainavu (uzsvars uz “zeme”), tikai aptuveni 5 procenti no pasaules ūdeņiem ir bijuši līdzīgi attēlveidošanas un kartēšana. Tas ir līdzvērtīgs pasaules kartei, kurā ir redzama tikai Austrālija, bet pārējā daļa ir tumša kā kāda neizpētīta Impēriju laikmets karte.

"Mūsu mērķis ir piedāvāt tehnoloģiju, ko var uzstādīt uz lidojoša transportlīdzekļa, lai nodrošinātu liela mēroga pārklājumu, vienlaikus izmantojot attēlveidošanas tehniku, kas ir izturīga duļķainā ūdenī," sacīja Ficpatriks. “Lai to paveiktu, mēs izstrādājam fotoakustisko gaisa sonāru sistēmu. PASS izmanto priekšrocības, ko sniedz gaismas izplatīšanās gaisā un skaņas izplatīšanās ūdenī, lai attēlotu zemūdens vidi no gaisa sistēmas.

PASS darbojas šādi: Pirmkārt, īpaša pielāgota lāzera sistēma izstaro infrasarkanās gaismas uzliesmojumu, ko absorbē apmēram pirmais centimetrs ūdens. Kad lāzera absorbcija ir notikusi, ūdens termiski izplešas, radot skaņas viļņus, kas spēj iekļūt ūdenī.

"Šie skaņas viļņi tagad darbojas kā ūdens sonāra signāls, kas tika attālināti ģenerēts, izmantojot lāzeru," turpināja Fitzpatrick. "Skaņas viļņi atspoguļosies no zemūdens objektiem un virzīsies atpakaļ uz ūdens virsmu. Daļa no šīs skaņas – tikai aptuveni 0,06 procenti – šķērso gaisa un ūdens saskarni un virzās uz augšu uz gaisa sistēmu. Augstas jutības skaņas uztvērēji vai pārveidotāji uztver šos skaņas viļņus. Pārveidotāji [pēc tam] pārvērš skaņas enerģiju elektriskos signālos, kurus var nodot, izmantojot attēla rekonstrukcijas algoritmus, veidojot uztveramu attēlu.

Lietas, kas slēpjas apakšā

Pagaidām PASS ir nepabeigts darbs. Komanda ir demonstrējusi augstas izšķirtspējas trīsdimensiju attēlveidošanu kontrolētā laboratorijas vidē. Taču Ficpatriks atzina, ka tas atrodas “konteinerā lielas zivju tvertnes lielumā”, lai gan tehnoloģija tagad ir “tuvu stadijai”, kur to varētu izvietot virs liela peldbaseina.

Protams, ir neliela atšķirība starp lielu peldbaseinu un visu Zemes okeānu kopumu, un tas prasīs ievērojami vairāk darba. Īpaši liels izaicinājums, kas jāatrisina pirms testēšanas lielākās, nekontrolētākās vidēs, ir veids, kā risināt attēlveidošanu caur ūdeni ar turbulentiem virsmas viļņiem. Ficpatriks teica, ka tas ir galvas skrāpis, taču tam “noteikti ir iespējami risinājumi”, pie kuriem komanda jau strādā.

"PASS varētu izmantot, lai kartētu neatklātu ūdeņu dziļumus, izpētītu bioloģisko vidi, meklētu pazudušo vraku un, iespējams, daudz ko citu," viņš teica. "Vai nav dīvaini," viņš piebilda, "ka mums vēl ir jāizpēta visa Zeme, uz kuras mēs dzīvojam? Varbūt PASS var to mainīt.

Gaismas un skaņas apvienošana, lai atrisinātu gaisa-ūdens saskarni, būtu spēles mainītājs. Un pēc tam? Izmantojiet kartēšanas dronu armiju, lai beidzot palīdzētu mums parādīt, kas atrodas zem okeāna virsmas.

Papīrs, kurā aprakstīts PASS projekts, bija nesen publicēts žurnālā IEEE Access.

Redaktoru ieteikumi

• Atjautīga jaunā veste varētu ļaut glābšanas suņiem saņemt komandas jūdžu attālumā