Stanfordo universiteto inžinieriai sukūrė skraidančiame objekte montuojamą povandeninių objektų stebėjimo sistemą, kuri, derindama šviesos ir ultragarso signalus, gali pamatyti, kas slepiasi po vandens sluoksniu.
Mokslininkai mano, kad ateityje tokios hibridinės optinės-akustinės sistemos, patalpintos dronuose, galės būti naudojamos atliekant biologinius jūrų tyrimus, plataus masto nuskendusių laivų ir lėktuvų paieškas ar kartografuoti jūrų ir vandenynų dugną panašiu greičiu, kaip ir sausumos paviršių.
„Lėktuvuose ir palydovuose esančios radarų ir lazerių sistemos jau dešimtmečius stebi ir kartografuoja Žemės paviršių. Radaro signalai netgi sugeba prasiskverbti pro debesis ir miškų lapiją. Tačiau vanduo yra labai absorbuojanti aplinka, apribojanti šviesos skvarbą“, teigia šio tyrimo vadovas Aminas Arbabianas (Amin Arbabian), Stanfordo inžinerijos mokyklos elektrotechnikos docentas. „Mūsų tikslas yra sukurti geresnę sistemą, kuri galėtų atvaizduoti objektus, paslėptus net ir po drumsto vandens sluoksniu“.
Vandenynai užima apie 70 procentų Žemės paviršiaus, tačiau didelės skiriamosios gebos jų dugno vaizdai ir žemėlapiai yra sukurti tik nedidelei jų daliai.
Pagrindinė kliūtis yra susijusi su fizinėmis medžiagų savybėmis: pavyzdžiui, garso bangos negali pereiti iš oro į vandenį ir iš vandens į orą, neprarasdamos didžiosios dalies, daugiau nei 99,9 procentų savo energijos, kuri yra atspindima atgal. Sistemoms, esančioms ore ir naudojančioms garso bangas ir bandančioms pamatyti, kas yra po vandeniu, šie energijos nuostoliai patiriami du kartus –pereinant iš oro į vandenį ir atgal iš vandens į orą, dėl to garso bangų energija sumažėja net 99,9999 procentų.
Tas pats galioja ir elektromagnetinėms bangoms – tai gali būti šviesos, mikrobangų ir radaro signalai – jie irgi praranda energiją pereidami iš vienos fizinės terpės į kitą, nors energijos praradimo mechanizmas yra ir kitoks nei garso bangų.
„Šviesa taip pat praranda šiek tiek energijos dėl atspindžio, tačiau didžiąją energijos praradimo dalį lemia vandens absorbcija“, – teigia tyrimo autoriai. „Beje, ši absorbcija taip pat yra priežastis, kodėl Saulės spinduliai negali prasiskverbti giliai po vandeniu ir kodėl nepavyks paskambinti į išmanųjį telefoną, esantį po vandeniu“.
Todėl vandenynų dugno negalima užfiksuoti iš oro ir iš kosmoso taip, kaip Žemės paviršiaus. Iki šiol dauguma povandeninių žemėlapių buvo padaryta pritvirtinant sonarų sistemas prie laivų, kurie jas traluoja dominančiuose regionuose.
Tačiau ši technologija yra lėta, brangi bei neefektyvi, jei reikia ištirti didelius plotus.
Naujoji fotoakustinė ore bazuojama sonaro sistema sujungia šviesą ir garsą, kad prasibrautų per oro ir vandens ribą.
Ši idėja kilo iš kito projekto, kuriame mikrobangomis bekontaktiniu buvo būdu buvo zonduojami po žeme esantys objektai ir augalų šaknys.
Fotoakustinė sonaro sistema panaudoja individualias šviesos ir garso stiprybes.
„Jei mes galėtume naudoti šviesą ore, kur šviesa gerai sklinda, ir garsą vandenyje, kuriame jis irgi puikiai sklinda, mes galėtume gauti daug geresnius rezultatus“, – teigia tyrėjai.
Norėdama tai padaryti, sistema pirmiausia paleidžia lazerio spindulį į vandens paviršių, kur jis yra absorbuojamas. Tuo metu paviršiuje yra sukuriamos ultragarso bangos, kurios sklinda gilyn vandeniu, atsispindi nuo povandeninių objektų ir patenka atgal į paviršių.
Grįžtančios ultragarso bangos praranda didžiąją dalį savo energijos, kai pasiekia vandens paviršių, tačiau generuodami garso bangas lazeriais po vandeniu, mokslininkai gali užkirsti kelią energijos nuostoliams įvykti du kartus.
„Mes sukūrėme sistemą, kuri yra pakankamai jautri, kad kompensuotų tokio masto nuostolius ir vis tiek leistų aptikti grįžusių ultragarso bangų nešamą signalą bei jį paversti vaizdu“, – sako tyrėjai.
Atsispindėjusias ultragarso bangas fiksuoja jutikliai, ir tuomet programinė įranga iš akustinių signalų atkuria po vandeniu esančių objektų trimatį vaizdą.
Įprastos sonarų sistemos gali prasiskverbti į šimtų ir net tūkstančių metrų vandens gylį, ir mokslininkai tikisi, kad jų naujoji fotoakustinė sistema irgi galės pasiekti panašų gylį.
Animacija, rodanti panardinto objekto 3D vaizdą, atkurtą naudojant atspindėtas ultragarso bangas. Iliustr.: Aidan Fitzpatrick, Stanford University
Mokslininkų teigimu, kitas žingsnis bus bandymai atvirame vandenyne. Čia tyrimus apsunkins paviršiaus bangavimas, tačiau tyrėjai mano, kad ir ši problema yra išsprendžiama.
„Mūsų vizija yra kad toks prietaisas galėtų būti montuojamas sraigtasparnyje arba drone“, – teigia tyrėjai, „Ir manome, kad geriausi rezultatai būtų gauti, skrendant kelias dešimtis metrų virš vandens“.
Ši fotoakustinė ore bazuojama sonaro sistema (angl. Photoacoustic Airborne Sonar System) aprašyta Stanfordo universiteto inžinierių tyrime, paskelbtame žurnale „IEEE Access“.
Aidan Fitzpatrick et al, An Airborne Sonar System for Underwater Remote Sensing and Imaging, IEEE Access (2020). DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3031808