Нови възможности за детайлно изследване на океанското дъно

Инженерите от Станфордския университет са разработили метод за изобразяване на подводни обекти чрез комбиниране на светлина и звук, за да пробият „бариерата“ на границата на атмосферата и хидросферата.

Изследователите предвиждат, че един ден тяхната хибридна фото-акустична система ще се използва за провеждане на дълбоководни проучвания от въздуха с помощта на безпилотни летателни апарати, извършване на мащабни търсения на потънали кораби и самолети и картографиране на океанските дълбини със сходна скорост и детайлност, както на земната повърхност.

Океаните покриват около 70 % от земната повърхност, но само малка част от техните дълбини са били проучвани и картирани с висока разделителна способност.

Основната трудност е свързана с физиката – звуковите вълни, например, не могат да преминат от въздуха във вода или обратно, без да загубят по-голямата част – над 99,9% от своята енергия чрез отражение. Система, която се опитва да изследва подводното пространство, използвайки звукови вълни, изпращани от атмосферата в хидросферата и обратно в атмосферата, е подложена на тази енергийна загуба два пъти, което води до 99,9999 % загуби на енергия.

По същия начин електромагнитното излъчване, общ термин, който включва светлинни, микровълнови и радарни сигнали, също губи енергия при преминаване от една физическа среда в друга, въпреки че механизмът е различен от този на звука. Това се дължи на поглъщането от водата. То е и причината, поради която слънчевата светлина не може да проникне в дълбините на океана, както и смартфоните, разчитащи на клетъчни сигнали, форма на електромагнитно излъчване, да не могат да приемат обаждания под водата.

В резултат на това океаните не могат да бъдат картографирани от въздуха или от Космоса по същия начин, както сушата. Към днешна дата най-значително подводно картографиране е постигнато чрез прикачване на сонарни системи към кораби, които тралират в даден регион. Но тази техника е бавна, скъпа и неефективна за покриване на големи площи.

Фотоакустичната въздушна сонарна система комбинира светлина и звук, за да пробие границата атмосфера-хидросфера. Използва се светлина във въздуха, където се пренася добре, и звук във водата, където звукът се пренася добре.

За целта системата първо изстрелва лазер от въздуха, който се абсорбира от водната повърхност. Когато лазерът се абсорбира, той генерира ултразвукови вълни, които се разпространяват надолу през водния стълб и отразяват подводните обекти, преди да се отрази обратно към повърхността.

Отразените звукови вълни все още губят по-голямата част от енергията си, при преминаване от водната повърхност в атмосферата, но чрез генериране на звукови вълни под вода с лазери, изследователите могат да предотвратят двойната загуба на енергия. Отразените ултразвукови вълни се записват с инструменти, наречени преобразуватели. След това се използва софтуер за събиране на акустичните сигнали обратно като невидим пъзел и реконструкция на триизмерно изображение на потопения обект.

Конвенционалните сонарни системи могат да проникнат на дълбочини от стотици до хиляди метри и изследователите очакват, че тяхната система в крайна сметка ще може да достигне подобни дълбочини.

За сега тази технология е тествана само в лаборатория в контейнер с големината на голям аквариум. Текущите експерименти използват статична вода, но се работи за справяне с вълните, каквито има в големите водни басейни. Следващата стъпка ще бъде провеждането на тестове в по-големи басейни и накрая в открита водна среда.

При добри резултати от тестованията се предвижда тези устройства да се поставят на хеликоптери или безпилотни летателни апарати, които да летят на десетки метри над водата.

Източници: news.stanford.edu, ieeexplore.ieee.org