Нанесение на карту всего дна океана с неба?

Мой друг, который занимается игровым дизайном, недавно показал мне 3D-модель Земли, детально прорисованную с помощью топографических методов. точные спутниковые данные, чтобы мы могли летать через каньоны и наши районы на высокой скорости, как парочка на езде на велосипеде. Супермены. «Давайте посмотрим, сможем ли мы уйти под воду», — сказал он воодушевленно, когда мы летели над Тихим океаном.

Мы не смогли. Модель, столь поразительно точная на суше, по-видимому, не имела никаких данных для моделирования подводной среды. Это была неперерисованная пустота под стеклянной поверхностью воды, как будто это была какая-то подводная версия Шоу Трумана, и мы достигли края света.

Никто из нас не был особенно удивлен. Шок был бы, если бы океаны имел было оказано. Откуда могла взяться эта информация? И насколько это было бы точно? Это означало бы, что создатели модели знали что-то, чего не знают даже ведущие океанографы мира.

Несмотря на весь оправданный ажиотаж вокруг освоения космоса в 2020-е годы (Илон Маск «очень уверенный в себе» что люди полетят к Марсу к 2026 году), океаны нашей планеты остаются в значительной степени неизведанными и неизвестными территориями, которые находятся гораздо ближе к дому. Вода покрывает около 71 процента поверхности Земли, а пресная вода, которую мы пьем, составляет мизерные 3 процента, что чуть больше, чем ошибка округления. Но подавляющее большинство океанов Земли — до 95 процентов — представляют собой неизведанную загадку.

Хотя до эквивалента Google Street View для подводного мира еще далеко, реализуется новый проект. Исследование исследователей из Стэнфордского университета может проложить путь именно к такому в будущем – и к многому другому. кроме. Представьте себе, что вы можете пролететь на самолете над водой и увидеть с абсолютной четкостью то, что скрывается под волнами.

Это звучит невозможно. Как оказалось, это очень и очень сложно.

Проблема с лидаром, проблема с гидролокатором

«Изображение подводной среды с помощью бортовой системы — сложная задача, но имеющая множество потенциальных применений». Эйдан Джеймс Фицпатрик, аспирант кафедры электротехники Стэнфордского университета, рассказал Digital Trends.

Очевидным кандидатом на эту работу по визуализации является лидар. Лидар – это отраженная лазерная технология наиболее известен тем, что помогает автономным автомобилям (не Tesla) воспринимать окружающий мир. Он работает, излучая импульсные световые волны, а затем измеряя, сколько времени им требуется, чтобы отразиться от объектов и вернуться к датчику. Это позволяет датчику рассчитать, как далеко прошел световой импульс, и, как следствие, построить картину окружающего мира. Хотя беспилотные автомобили остаются самым известным применением лидара, его можно использовать в качестве мощного картографического инструмента и в других контекстах. Например, исследователи использовали его в 2016 году для найдите давно затерянный город, спрятанный под густым покровом листвы в камбоджийских джунглях.

Однако лидар не подходит для такого рода картографирования. Хотя передовые мощные лидарные системы хорошо работают в чрезвычайно прозрачной воде, большая часть океана, особенно прибрежная вода, имеет тенденцию быть мутной и непрозрачной для света. В результате, по словам Фитцпатрика, большая часть подводных изображений, выполненных на сегодняшний день, опирается на водные гидролокаторы, которые используют звуковые волны, способные легко распространяться в мутной воде.

К сожалению, здесь тоже есть подвох. Гидролокационные системы в воде устанавливаются на тихоходную лодку или буксируются ею. Снимки с воздуха с использованием летающего летательного аппарата были бы более эффективными, поскольку они могли бы охватить гораздо большую территорию за меньшее время. Но это невозможно, поскольку звуковые волны не могут пройти из воздуха в воду и обратно, не потеряв 99,9999 процентов своей энергии.

Что проходит PASS

Следовательно, хотя лидарные и радиолокационные системы нанесли на карту весь ландшафт Земли (акцент на «суша»), только около 5 процентов мировых вод были объектом подобных изображений и картографирование. Это эквивалент карты мира, на которой показана только Австралия, а остальная ее часть остается темной, как неизведанная местность. Эпоха империй карта.

«Наша цель — предложить технологию, которую можно будет установить на летательный аппарат и обеспечить широкомасштабное покрытие, используя при этом метод визуализации, устойчивый в мутной воде», — сказал Фитцпатрик. «Для этого мы разрабатываем то, что мы назвали фотоакустической бортовой гидролокационной системой. PASS использует преимущества распространения света в воздухе и распространения звука в воде для изображения подводной среды с помощью бортовой системы».

PASS работает следующим образом: сначала специальная лазерная система излучает волну инфракрасного света, который поглощается первым сантиметром воды. Как только происходит лазерное поглощение, вода термически расширяется, создавая звуковые волны, которые могут проникать в воду.

«Эти звуковые волны теперь действуют как сигнал гидролокатора в воде, который генерируется удаленно с помощью лазера», — продолжил Фитцпатрик. «Звуковые волны будут отражаться от подводных объектов и возвращаться к поверхности воды. Часть этого звука – всего около 0,06 процента – пересекает границу раздела воздух-вода и поднимается вверх, к воздушной системе. Высокочувствительные приемники звука или преобразователи улавливают эти звуковые волны. Преобразователи [затем] преобразуют звуковую энергию в электрические сигналы, которые могут быть пропущены через алгоритмы реконструкции изображения для формирования воспринимаемого изображения».

То, что лежит под

На данный момент работа над PASS находится в стадии разработки. Команда продемонстрировала трехмерные изображения высокого разрешения в контролируемой лабораторной среде. Но это, как признал Фитцпатрик, находится в «контейнере размером с большой аквариум», хотя технология сейчас «близка к той стадии», когда ее можно будет развернуть в большом плавательном бассейне.

Конечно, есть небольшая разница между большим бассейном и всеми океанами Земли, и это потребует значительно больше работы. В частности, большая проблема, которую необходимо решить перед тестированием в более крупных и неконтролируемых средах, заключается в том, как получить изображения в воде с турбулентными поверхностными волнами. Фитцпатрик сказал, что это головокружительная задача, но она «наверняка имеет осуществимые решения», над некоторыми из которых команда уже работает.

«PASS можно использовать для картирования глубин неизведанных вод, исследования биологической среды, поиска затерянных обломков и, возможно, многого другого», — сказал он. «Разве не странно, — добавил он, — что нам еще предстоит исследовать всю Землю, на которой мы живем? Возможно, PASS сможет это изменить».

Объединение света и звука для решения проблемы взаимодействия воздуха и воды могло бы изменить правила игры. И после этого? Привлеките армию картографических дронов, чтобы наконец показать нам, что находится под поверхностью океана.

Был опубликован документ, описывающий проект PASS. недавно опубликовано в журнале IEEE Access..

Рекомендации редакции

• Умный новый тактильный жилет позволит собакам-спасателям выполнять команды на расстоянии нескольких миль