Ingenieure der Stanford University haben eine Methode in der Luft entwickelt, mit der Objekte, die tief unter Wasser liegen, abgebildet werden können. Dabei werden Licht und Ton gemischt, um die hartnäckige Störbarriere an der Wasseroberfläche zu durchdringen. aktuelle Studie in der Zeitschrift veröffentlicht IEEE-Zugang .
Im Wesentlichen nähern wir uns möglicherweise einer Zeit, in der fliegende Drohnen den gesamten Meeresboden in hoher Auflösung kartieren.
VERBINDUNG: 'OZEANWELTEN:' DIE JAGD FÜR AUSLÄNDER NÄHER ZU HAUSE
Ingenieure dringen in die Oberfläche ein, Unterwassersperre mit Schall, Lichtmischung
Die Forscher glauben, dass ihr neues hybrides optisch-akustisches System möglicherweise eine Rolle bei der Durchführung von biologischen Meeresuntersuchungen auf Drohnenbasis aus der Luft spielt, zusätzlich zur Durchführung umfangreicher Flugsuchen in versunkenen Schiffen und Flugzeugen und zur Kartierung der Tiefe. schwarze Tiefen des Ozeans mit ähnlichen Trübungen und Geschwindigkeiten wie bei Überwasserlandschaften.
"In der Luft und im Weltraum befindliche Radar- und Lasersysteme LIDAR können seit Jahrzehnten die Landschaften der Erde kartieren. Radarsignale können sogar die Wolken- und Überdachungsbedeckung durchdringen", sagte Amin Arbabian, Studienleiter und außerordentlicher Professorder Elektrotechnik an der Stanford School of Engineering in einem Stanford Blogbeitrag "Meerwasser ist jedoch viel zu absorbierend für die Abbildung in Wasser", fügte er hinzu.
"Unser Ziel ist es, ein robusteres System zu entwickeln, das auch durch trübes Wasser Bilder abbildet", fügte Arbabian hinzu.
Energieverlust an der Oberfläche, Unterwassersperre
Ozeane machen ungefähr 70% der Erdoberfläche aus, aber nur ein kleiner Teil ihrer Tiefen wird mit hochauflösender Bildgebung und Kartierung katalogisiert. Berichte TechXplore .
Die größte Hürde für hochauflösende Bilder ist die physikalische. Beispielsweise können Schallwellen nicht von Luft zu Wasser oder umgekehrt gleiten, ohne den größten Teil ihrer Energie zu verlieren - mehr als 99,9%. Dies geschieht aufgrund eines Reflexionseffekts vonein anderes Medium.
Systeme, die Schallwellen verwenden, die sich wieder von Wasser zu Luft in Wasser bewegen, verlieren diese Energie zweimal - 99,9999% ihrer Energie.
Herkömmliche Bildgebungsmethode für den Meeresboden zu langsam, kostspielig
Ebenso verliert elektromagnetische Strahlung - zu der Mikrowellen, Radarsignale und konventionelles Licht gehören - beim Übergang von einem physikalischen Medium in ein anderes enorme Energie. Laut Aidan Fitzpatrick, Erstautor von, wird der größte Teil der Energie im Wasser absorbiertdas Studium und Stanford Doktorand in Elektrotechnik.
Insbesondere erklärt diese Luft-Wasser-Absorption auch, warum das Sonnenlicht nicht in die letzten Tiefen des Ozeans eindringt. Außerdem können die zellularen Signale von Smartphones - bei denen es sich um eine Form elektromagnetischer Strahlung handelt - nicht senden oderAnrufe entgegennehmen unter Wasser .
Dies bedeutet, dass wir Ozeane nicht aus der Luft und aus dem Weltraum auf dieselbe Weise kartieren können wie Land. Zum Zeitpunkt des Schreibens wurden die meisten Unterwasserkartierungsbemühungen durch Anbringen von Sonarsystemen an Schiffen abgeschlossen, die bestimmten Schleppnetzregionen von Interesse zugeordnet sindDiese Methode ist teuer und langsam und es fehlt die Effizienz, die für die Kartierung großer Gebiete erforderlich ist.
Lösen eines unsichtbaren Puzzles, das Beste aus beiden Welten
Aus diesem Grund wurde das Photoacoustic Airborne Sonar System PASS entwickelt, um zu überwinden. Es mischt Licht und Ton, um die Interferenzen zu durchbrechen, die normalerweise an Luft-Wasser-Grenzen auftreten. Die Idee stammt aus einem anderen Projekt - einem Projekt, das auf Mikrowellen basiert"berührungslose" Bildgebung und gestochen scharfe Charakterisierung unterirdischer Pflanzenwurzeln.
Einige in PASS verwendete Instrumente wurden entwickelt, um dieses oberflächenbrechende Paradoxon zu berücksichtigen, und zwar mithilfe der gemeinsamen Hilfe von Elektrotechnikprofessor Butrus Khuri-Yakub aus Stanford.
Kurz gesagt, PASS nutzt die Stärken von Licht und Ton, um ihre relativen Schwächen zu überwinden: "Wenn wir Licht in der Luft verwenden können, wo sich Licht gut ausbreitet, und Schall im Wasser, wo sich Schall gut ausbreitet, können wir das Beste erzielen."beider Welten ", sagte Fitzpatrick im Stanford Blogbeitrag .
Neues System gleicht Signalgrößenverlust aus
Um dies zu erreichen, feuert das System zunächst a Laser aus der Luft, die von der Wasseroberfläche absorbiert wird. Sobald dies geschieht, erzeugt es Ultraschallwellen, die sich in die Tiefe der Wassersäule ausbreiten, bis sie von einem Unterwasserobjekt reflektiert werden, bevor sie mühelos zum Sonnenlicht zurückgleitenOberfläche.
Schallwellen verlieren immer noch den größten Teil ihrer Energie, wenn sie auf die Luft-Wasser-Schranke treffen. Bei der Erzeugung der Schallwellen unter Wasser mit Lasern haben die Forscher den oben erwähnten sekundären Energieverlust verringert.
"Wir haben ein System entwickelt, das empfindlich genug ist, um einen Verlust dieser Größenordnung auszugleichen und dennoch Signalerkennung und Bildgebung zu ermöglichen", sagte Arbabian.
Wir könnten eine hochauflösende Karte des gesamten Meeresbodens erstellen.
Zum Zeitpunkt des Schreibens hat der PASS im Labor nur Tests mit einem Behälter gesehen, der ungefähr die Größe eines großen Aquariums hat. "Aktuelle Experimente verwenden statisches Wasser, aber wir arbeiten derzeit daran, mit Wasserwellen umzugehen", sagte Fitzpatrickist eine Herausforderung, aber wir halten ein Problem für machbar. "
Die Ingenieure von Stanford stellen sich vor, dass die Technologie schließlich mit einem Hubschrauber oder einer Drohne betrieben werden kann, sagte Fitzpatrick. "Wir erwarten, dass das System in der Lage ist, mehrere zehn Meter über dem Wasser zu fliegen", fügte Fitzpatrick hinzu-Weltmeere, es wird nur eine Frage der Zeit sein, bis die Abgrundtiefen von jedem Ozean können hochauflösende Bilder angezeigt werden.