Kartlägga hela havsbotten -- från himlen?

En vän till mig som arbetar med speldesign visade mig nyligen en 3D-modell av jorden, renderad i detalj med topografiskt exakta satellitdata, så att vi kunde sväva genom kanjoner och våra respektive stadsdelar i hög hastighet som ett par joyrider Stålmän. "Låt oss se om vi kan gå under vattnet," sa han upprymd när vi flög ut över Stilla havet.

Vi kunde inte. Modellen, så förbluffande exakt på land, hade tydligen noll data för att modellera undervattensmiljön. Det var ett oåterkallat tomrum under vattnets glasiga yta, som om detta var någon subakvatisk version av Truman showen, och vi hade nått världens ände.

Ingen av oss var särskilt förvånad. Chocken skulle ha varit om haven hade gjorts. Var skulle den informationen ha kommit ifrån? Och hur exakt skulle det ha varit? Det skulle ha betytt att modellens skapare visste något som inte ens världens främsta oceanografer vet.

Trots all berättigad spänning kring att utforska rymden på 2020-talet (Elon Musk är "mycket självsäker” att människor kommer att flyga mot Mars år 2026), förblir vår planets hav en i stort sett okända och okänd domän som är mycket närmare hemmet. Vatten täcker cirka 71 procent av jordens yta, med sötvattensprodukterna vi dricker står för minsta 3 procent, lite mer än ett avrundningsfel. Men den överväldigande majoriteten av jordens hav - upp till 95 procent - är ett outforskat mysterium.

Även om vi fortfarande är långt ifrån en Google Street View-motsvarighet för undervattensvärlden, håller ett nytt projekt på att genomföras ut av forskare vid Stanford University skulle kunna bana väg för just en sådan sak i framtiden - och en hel del mer Förutom. Tänk dig att kunna flyga ett flygplan över en vattensträcka och se, med absolut klarhet, vad som gömmer sig under vågorna.

Det låter omöjligt. Som det visar sig är det bara riktigt, riktigt svårt.

Problemet med lidar, problemet med ekolod

"Att avbilda undervattensmiljöer från ett luftburet system är en utmanande uppgift, men en som har många potentiella tillämpningar," Aidan James Fitzpatrick, en doktorand vid Stanford Universitys avdelning för och elektroteknik, berättade för Digital Trends.

Den självklara kandidaten för detta bildbehandlingsjobb är lidar. Lidar är den studsad laserteknik mest känd för att hjälpa (icke-Tesla) autonoma fordon att uppfatta världen omkring dem. Det fungerar genom att sända ut pulserande ljusvågor och sedan mäta hur lång tid det tar att studsa av föremål och återgå till sensorn. Genom att göra detta kan sensorn beräkna hur långt ljuspulsen färdades och som ett resultat bygga upp en bild av omvärlden. Även om självkörande bilar fortfarande är den mest kända användningen av lidar, kan den användas som ett kraftfullt kartverktyg även i andra sammanhang. Till exempel använde forskare det 2016 för att avslöja en sedan länge gömd stad under tätt lövtäcke i den kambodjanska djungeln.

Lidar är dock inte lämplig för den här typen av kartläggning. Även om avancerade lidarsystem med hög effekt fungerar bra i extremt klart vatten, tenderar mycket av havet - särskilt kustvatten - att vara grumligt och ogenomskinligt för ljus. Som ett resultat, sa Fitzpatrick, har mycket av den undervattensavbildning som utförts hittills förlitat sig på ekolodssystem i vattnet som använder ljudvågor som lätt kan fortplanta sig genom grumligt vatten.

Tyvärr finns det en hake här också. I-vatten ekolodssystem monteras på, eller bogseras av, en långsamtgående båt. Avbildning från luften, med hjälp av ett flygande luftburet fordon, skulle vara mer effektivt eftersom det kan täcka ett mycket större område på kortare tid. Men det är omöjligt eftersom ljudvågor inte kan passera från luft till vatten och sedan tillbaka igen utan att förlora 99,9999 procent av sin energi.

Vad kommer till PASS

Följaktligen, medan lidar- och radarsystem har kartlagt hela jordens landskap (betoning på "land"), har endast cirka 5 procent av de globala vattnen varit föremål för liknande avbildning och kartläggning. Det är motsvarigheten till en världskarta som bara visar Australien och lämnar resten av det mörkt som något outforskat Age of Empires Karta.

"Vårt mål är att föreslå en teknik som kan monteras på ett flygande fordon för att ge storskalig täckning samtidigt som man använder en avbildningsteknik som är robust i grumligt vatten," sa Fitzpatrick. "För att göra detta utvecklar vi det vi har myntat ett fotoakustiskt luftburet ekolodssystem. PASS utnyttjar fördelarna med ljusspridning i luft och ljudspridning i vatten för att avbilda undervattensmiljöer från ett luftburet system."

PASS fungerar så här: För det första avfyrar ett speciellt anpassat lasersystem en skur av infrarött ljus som absorberas av den första centimetern vatten. När laserabsorption har inträffat, expanderar vattnet termiskt, vilket skapar ljudvågor som kan färdas in i vattnet.

"Dessa ljudvågor fungerar nu som en ekolodssignal i vattnet som genererades på distans med hjälp av lasern," fortsatte Fitzpatrick. "Ljudvågorna kommer att reflekteras från undervattensobjekt och färdas tillbaka mot vattenytan. En del av detta ljud – endast cirka 0,06 procent – ​​passerar luft-vattengränssnittet och färdas upp mot det luftburna systemet. Högkänsliga ljudmottagare, eller givare, fångar dessa ljudvågor. Givarna omvandlar sedan ljudenergin till elektriska signaler som kan skickas genom bildrekonstruktionsalgoritmer för att bilda en märkbar bild."

De saker som ligger under

Än så länge är PASS ett pågående arbete. Teamet har demonstrerat högupplöst, tredimensionell bildbehandling i en kontrollerad labbmiljö. Men detta, erkände Fitzpatrick, är i en "behållare storleken på en stor akvarium", även om tekniken nu är "nära scenen" där den skulle kunna användas över en stor pool.

Det finns naturligtvis en liten skillnad mellan en stor pool och hela jordens hav, och detta kommer att kräva betydligt mer arbete. I synnerhet en stor utmaning som måste lösas innan man testar i större, mer okontrollerade miljöer är hur man tacklar avbildning genom vatten med turbulenta ytvågor. Fitzpatrick sa att det här är en huvudskrapa, men det är en som "säkert har genomförbara lösningar", av vilka några team redan arbetar med.

"PASS kan användas för att kartlägga djupet av okända vatten, kartlägga biologiska miljöer, söka efter förlorade vrakdelar och potentiellt mycket mer", sa han. "Är det inte konstigt", tillade han, "att vi ännu inte har utforskat hela jorden vi lever på? Kanske kan PASS ändra detta.”

Att kombinera ljus och ljud för att lösa luft-vatten-gränssnittet skulle vara en game changer. Och efter det? Ta fram en armé av kartläggningsdrönare för att äntligen hjälpa till att visa oss vad som finns under havets yta.

Ett papper som beskrev PASS-projektet var nyligen publicerad i tidskriften IEEE Access.

Redaktörens rekommendationer

• En smart ny haptisk väst kan låta räddningshundar ta kommandon på mils avstånd