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 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.
«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.
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
