Мій друг, який займається розробкою ігор, нещодавно показав мені тривимірну модель Землі, відображену дуже детально за допомогою топографічного точні супутникові дані, щоб ми могли літати крізь каньйони та наші відповідні околиці на високій швидкості, як пара на джойрайді Супермени. «Давайте подивимося, чи зможемо ми піти під воду», — радісно сказав він, коли ми летіли над Тихим океаном.
Зміст
- Проблема з лідаром, проблема з ехолотом
- Що приходить до PASS
- Те, що лежить під ним
Ми не змогли. Модель, така приголомшливо точна на суші, очевидно, не мала даних, за допомогою яких можна було б змоделювати підводне середовище. Це була невідтворена порожнеча під скляною поверхнею води, ніби це була якась підводна версія Шоу Трумена, і ми дійшли до кінця світу.
Рекомендовані відео
Ніхто з нас особливо не здивувався. Шок був би, якби океани мав було надано. Звідки взялась ця інформація? І наскільки це було б точним? Це означало б, що творці моделі знали те, чого не знають навіть найкращі океанографи світу.
Попри весь виправданий ажіотаж навколо дослідження космосу у 2020-х роках (Ілон Маск є «дуже впевнений», що люди будуть летіти до Марса до 2026 року), океани нашої планети залишаються в основному незвіданою та невідомою областю, яка знаходиться набагато ближче до дому. Вода займає близько 71 відсотка поверхні Землі, а прісна вода, яку ми п’ємо, становить мізерні 3 відсотки, трохи більше, ніж помилка округлення. Але переважна більшість океанів Землі — до 95 відсотків — залишаються недослідженою таємницею.
Хоча ми ще дуже далекі від еквівалента Google Street View для підводного світу, новий проект здійснюється Дослідники зі Стенфордського університету можуть прокласти шлях для створення саме такої речі в майбутньому — і багато іншого крім того. Уявіть собі, що ви можете літати на літаку над водною ділянкою та з абсолютною чіткістю бачити, що ховається під хвилями.
Це звучить неможливо. Як виявилося, це дуже, дуже важко.
Проблема з лідаром, проблема з ехолотом
«Зображення підводного середовища з бортової системи є складним завданням, але воно має багато потенційних застосувань», Ейдан Джеймс Фіцпатрік, аспірант факультету електротехніки Стенфордського університету, розповів Digital Trends.
Очевидним кандидатом на цю роботу є лідар. Лідар - це відскочена лазерна технологія найбільш відомий тим, що допомагає (не Tesla) автономним транспортним засобам сприймати навколишній світ. Він працює, випромінюючи імпульсні світлові хвилі, а потім вимірюючи, скільки часу їм потрібно, щоб відскочити від об’єктів і повернутися до датчика. Це дозволяє датчику обчислити, як далеко пройшов світловий імпульс, і, як наслідок, створити картину навколишнього світу. Незважаючи на те, що безпілотні автомобілі залишаються найвідомішим використанням лідара, його можна використовувати як потужний картографічний інструмент і в інших контекстах. Наприклад, дослідники використовували його в 2016 році для розкрити приховане давно втрачене місто під густим листям у камбоджійських джунглях.
Однак лідар не підходить для такого типу картографування. Незважаючи на те, що просунуті високопотужні системи лідарів добре працюють у надзвичайно чистих водах, велика частина океану, особливо прибережна вода, має тенденцію бути каламутною та непрозорою для світла. У результаті, за словами Фіцпатріка, велика частина підводних зображень, виконаних на сьогоднішній день, покладалася на водні гідролокаційні системи, які використовують звукові хвилі, здатні легко поширюватися в каламутній воді.
На жаль, тут також є підступ. Внутрішньоводні гідролокаційні системи встановлюються на повільно рухається човні або буксируються ним. Зйомка з повітря за допомогою літаючого бортового апарату була б ефективнішою, оскільки вона могла б охопити набагато більшу територію за менший час. Але це неможливо, оскільки звукові хвилі не можуть переходити з повітря у воду, а потім назад, не втрачаючи 99,9999% своєї енергії.
Що приходить до PASS
Отже, хоча лідарні та радарні системи нанесли на карту весь ландшафт Землі (акцент на «земля»), лише близько 5 відсотків світових вод були предметом подібних зображень і відображення. Це еквівалент карти світу, яка показує лише Австралію, а решту залишає темною, як якусь недосліджену Епоха імперій карта.
«Наша мета — запропонувати технологію, яка може бути встановлена на літаючому транспортному засобі, щоб забезпечити широкомасштабне покриття, використовуючи при цьому техніку зображення, яка є надійною в каламутній воді», — сказав Фіцпатрік. «Для цього ми розробляємо фотоакустичну бортову гідролокаційну систему, яку ми винайшли. PASS використовує переваги поширення світла в повітрі та поширення звуку у воді для зображення підводного середовища з бортової системи».
PASS працює так: спочатку спеціальна спеціальна лазерна система випромінює сплеск інфрачервоного світла, який поглинається приблизно першим сантиметром води. Після поглинання лазера вода термічно розширюється, створюючи звукові хвилі, які можуть поширюватися у воду.
«Ці звукові хвилі тепер діють як сигнал сонара у воді, який дистанційно генерується за допомогою лазера», — продовжив Фіцпатрік. «Звукові хвилі відбиватимуться від підводних об’єктів і повертатимуться до поверхні води. Частина цього звуку – лише близько 0,06 відсотка – перетинає межу повітря-вода і рухається вгору до бортової системи. Високочутливі звукові приймачі або перетворювачі вловлюють ці звукові хвилі. Перетворювачі [потім] перетворюють звукову енергію в електричні сигнали, які можуть бути передані через алгоритми реконструкції зображення для формування сприйнятливого зображення».
Те, що лежить під ним
Поки що робота над PASS триває. Команда продемонструвала тривимірне зображення високої роздільної здатності в контрольованому лабораторному середовищі. Але це, як визнав Фіцпатрік, знаходиться в «контейнері розміром з великий акваріум», хоча технологія зараз «близька до стадії», коли її можна буде розгорнути над великим басейном.
Звичайно, існує невелика різниця між великим плавальним басейном і всіма океанами Землі, і для цього знадобиться значно більше роботи. Зокрема, велика проблема, яку необхідно вирішити перед тестуванням у великих, більш неконтрольованих середовищах, полягає в тому, як впоратися із зображенням через воду з турбулентними поверхневими хвилями. Фіцпатрік сказав, що це головоломка, але це те, що «безперечно має можливі рішення», над деякими з яких команда вже працює.
«PASS можна використовувати для картографування глибин незвіданих вод, дослідження біологічного середовища, пошуку втрачених уламків і, можливо, багато іншого», — сказав він. «Чи не дивно, — додав він, — що нам ще належить дослідити всю Землю, на якій ми живемо? Можливо, PASS може це змінити».
Поєднання світла та звуку для вирішення проблеми повітряно-водного інтерфейсу змінило б ситуацію. А після цього? Залучіть армію картографічних дронів, щоб нарешті допомогти нам показати, що криється під поверхнею океану.
Стаття з описом проекту PASS була нещодавно опублікований у журналі IEEE Access.
Рекомендації редакції
- Розумний новий тактильний жилет може дозволити собакам-рятувальникам отримувати команди на відстані кілометрів
