Подводная съемка и картографирование морей и океанов с воздушных беспилотников – изобретение инженеров Стэндфордского университета

подводная съемка с беспилотника

Инженеры Стэнфордского университета разработали инновационный метод визуализации подводных объектов путем объединения света и звука. Фотоакустическая бортовая гидролокаторная система способна пробить, кажущийся непроходимым барьер на границе раздела воздуха и воды. Подводная съемка и картографирование при применении этого метода станет возможной с воздуха. Аппарат можно будет устанавливать под беспилотным летательным аппаратом.

Суть исследования

Исследователи предполагают, что их гибридная оптико-акустическая система однажды будет использоваться для проведения биологических морских исследований с воздуха на основе беспилотных летательных аппаратов.

подводная съемка с беспилотника

Подводная съемка существенно упростит проведение крупномасштабных воздушных поисков затонувших кораблей и самолетов. Также значительно упростится процесс картографирования океанских глубин. Их можно будет исследовать с такой же скоростью и уровнем детализации, как и земные ландшафты. 

Подробности исследования опубликованы в журнале IEEE Access.

«Бортовые и космические радиолокационные и лазерные, или лидарные, системы уже несколько десятилетий способны составлять карты ландшафтов Земли. Радиолокационные сигналы способны даже проникать через облачный покров и покрытие навеса. Однако морская вода слишком поглощает изображение в воде», — сказал руководитель исследования Амин Арбабян, адъюнкт-профессор электротехники в Стэнфордской Инженерной школе. Он отметил: «Наша цель состоит в том, чтобы разработать более надежную систему, которая может создавать изображения даже через мутную воду».

Подводная съемка: почему происходит потеря энергии

Океаны покрывают около 70 процентов поверхности Земли. Однако лишь небольшая часть их глубин была подвергнута подводной съемке с высоким разрешением изображений и картографированию.

Главный барьер связан с физикой. Звуковые волны не могут проходить из воздуха в воду или наоборот. Они теряют на границе воздуха и воды большую часть (более 99,9%) своей энергии. Причина этому – отражение от водной среды. Система, которая пытается видеть под водой с помощью звуковых волн, перемещающихся из воздуха в воду и обратно в воздух, подвергается этой потере энергии дважды, что приводит к снижению энергии на 99,9 процента.

Точно так же электромагнитное излучение (общий термин, включающий свет, микроволновые и радиолокационные сигналы) также теряет энергию при переходе из одной физической среды в другую, хотя механизм его действия отличается от звукового. 

«Свет также теряет некоторую энергию от отражения, но основная часть потерь энергии происходит из-за поглощения водой», — объяснил первый автор исследования Эйдан Фитцпатрик, аспирант Стэнфорда в области электротехники. 

Это поглощение также является причиной того, почему солнечный свет не может проникнуть в глубину океана и почему ваш смартфон, который полагается на сигналы сотовой связи, форму электромагнитного излучения, не может принимать звонки под водой.

В результате всего этого океаны не могут быть нанесены на карту с воздуха и из космоса так же, как это может быть сделано на суше. На сегодняшний день большая часть подводных съемок и картографирования были сделаны путем присоединения гидролокаторных систем к судам. Но этот метод является медленным и дорогостоящим, а также неэффективным для покрытия больших площадей.

Невидимая головоломка

Ученые создали Фотоакустическую бортовую Гидролокаторную систему (PASS), которая сочетает в себе свет и звук, чтобы прорваться через воздушно-водный барьер. Идея для него возникла из другого проекта, который использовал микроволны для выполнения «бесконтактной» визуализации подземных корней растений. Некоторые из приборов PASS были первоначально разработаны для этой цели в сотрудничестве с лабораторией профессора электротехники Стэнфорда Бутруса Хури-Якуба.

В своей основе PASS играет на индивидуальных сильных сторонах света и звука. «Если мы сможем использовать свет в воздухе, где свет распространяется хорошо, и звук в воде, где звук распространяется хорошо, мы сможем получить лучшее из обоих миров» — сказал Фицпатрик.

Для этого система сначала запускает лазер из воздуха, который поглощается на поверхности воды. Когда лазер поглощается, он генерирует ультразвуковые волны, которые распространяются вниз через толщу воды и отражаются от подводных объектов, прежде чем сигнал отправится обратно к поверхности.

Возвращающиеся звуковые волны все еще теряют большую часть своей энергии, когда они пробивают поверхность воды, но, генерируя звуковые волны под водой с помощью лазеров, исследователи могут предотвратить потерю энергии в два раза.

подводная съемка

«Мы разработали систему, которая достаточно чувствительна, чтобы компенсировать потерю такой величины и все еще позволяет обнаруживать сигналы и создавать изображения» — сказал Арбабиан.

Отраженные ультразвуковые волны регистрируются приборами, называемыми преобразователями. Программное обеспечение объединяет сигналы. Она как бы решает невидимую головоломку для воссоздания трехмерного изображения подводного объекта.

Подводная съемка: беспилотные исследования океана

Обычные гидроакустические системы могут проникать на глубину от сотен до тысяч метров, и исследователи ожидают, что их система в конечном итоге сможет достичь таких же глубин.

подводная съемка картографирование
Property of NIWA LTD 2005 all rights reserved (reference 11-20859.tif).

На сегодняшний день PASS был протестирован только в лаборатории в контейнере размером с большой аквариум. «Текущие эксперименты используют статическую воду, но в настоящее время мы работаем над тем, чтобы иметь дело с водяными волнами», — сказал Фицпатрик. Он отметил, что, это сложная, новполне выполнимая задача.

В планах исследователей проведение испытаний по ведению подводной съемки в более масштабных условиях и, в конечном счете, в открытой водной среде.

«Наше видение этой технологии — на борту вертолета или беспилотника», — сказал Фицпатрик. 

Источник информации издание eurekalert.org

Оцените статью
Добавить комментарий