System wykorzystujący światło i dźwięk, który widzi pod wodą

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda opracowali powietrzną metodę obrazowania obiektów podwodnych, łączącą możliwości światła i dźwięku. Technologia w przyszłości pomoże przeprowadzać biologiczne badania morskie z powietrza za pomocą dronów, poszukiwania zatopionych statków i samolotów czy mapowanie oceanów.

Nowa technologia nazywana "Photoacoustic Airborne Sonar System" została opisana na łamach czasopisma naukowego IEEE Access. Według jednego z jej twórców - Amina Arbabiana profesora Stanford's School of Engineering, rozwiązanie daje znacznie więcej możliwości niż dotychczas stosowane powietrzne i kosmiczne systemy radarowe i laserowe np. LIDAR.

- Naszym celem jest opracowanie bardziej niezawodnego systemu, który może obrazować nawet przez mętną wodę – podkreślił Arbabian.

Oceany pokrywają około 70 proc. powierzchni Ziemi, ale tylko niewielka część ich głębin została poddana obrazowaniu i mapowaniu w wysokiej rozdzielczości. Główna bariera jest bezpośrednio związana z prawami fizyki. Przykładowo fale dźwiękowe nie mogą przechodzić z powietrza do wody i odwrotnie nie tracą przy tym większość swojej energii (ponad 99,9 proc.) poprzez odbicie od innej powierzchni.

System, który bazuje na widzeniu pod wodą za pomocą fal dźwiękowych przemieszczających się z powietrza do wody i z powrotem, jest dwukrotnie poddawany takiej utracie energii, co skutkuje jej redukcją o 99,9999 proc. Podobnie jest w przypadku promieniowania elektromagnetycznego. Sygnały świetlne, mikrofalowe i radarowe również tracą energie podczas przechodzenia z jednego ośrodka fizycznego do drugiego, chociaż mechanizm jest inny niż w przypadku dźwięku.

- Światło również traci część energii w wyniku odbicia, ale większość strat energii jest spowodowana absorpcją przez wodę - wyjaśnił, Aidan Fitzpatrick, absolwent elektrotechniki na Uniwersytecie Stanforda, współtwórca badania.

To właśnie ta absorpcja jest również powodem, dla którego światło słoneczne nie może przenikać w głąb oceanu. Dlatego oceanów nie można mapować z powietrza oraz z kosmosu, w taki sam sposób jak lądów. Do tej pory większość podwodnych map powstawała dzięki systemom sonarowym, montowanym na statkach, które dokumentowały dno w wybranym regionie. Ta technika jest jednak powolna, kosztowna i nieefektywna w przypadku dużych obszarów.

Dlatego naukowcy opracowali "Photoacoustic Airborne Sonar System" (PASS), który łączy światło i dźwięk, aby przedostać się przez interfejs powietrze-woda. Pomysł zrodził się z innego projektu, w którym wykorzystano mikrofale do "bezkontaktowego" obrazowania podziemnych korzeni roślin. Niektóre instrumenty PASS zostały pierwotnie zaprojektowane do tego celu we współpracy z laboratorium profesora elektrotechniki - Butrusa Khuri-Yakuba z Uniwersytetu Stanford.

- Jeśli użyjemy światła w powietrzu, gdzie światło dobrze się rozchodzi, i dźwięku w wodzie, gdzie dźwięk dobrze się rozchodzi, możemy uzyskać to, co najlepsze z obu światów - powiedział Fitzpatrick.

System najpierw uruchamia laser w powietrzu, które jest absorbowane na powierzchni wody. Następnie generuje fale ultradźwiękowe, które rozchodzą się w dół przez kolumnę wody i odbijają od obiektów podwodnych, a następnie wracają na powierzchnię. Powracające fale dźwiękowe są nadal pozbawione większości swojej energii, gdy przebijają powierzchnię wody, ale generując fale dźwiękowe pod wodą za pomocą laserów, naukowcy mogą zapobiec dwukrotnej utracie energii.

- Opracowaliśmy system, który jest dostatecznie czuły, aby skompensować utratę tej energii, a jednocześnie umożliwia detekcję i obrazowanie sygnału - powiedział Arbabian.

Odbite fale ultradźwiękowe są rejestrowane przez instrumenty zwane przetwornikami. Oprogramowanie jest następnie używane do ponownego łączenia sygnałów akustycznych i rekonstruowania trójwymiarowego obrazu zanurzonego obiektu lub elementu znajdującego się pod wodą.

Konwencjonalne systemy sonarowe mogą przenikać na głębokości od setek do tysięcy metrów. Naukowcy uważają, że podobne właściwości osiągnie system PASS. Do tej pory był testowany wyłącznie w laboratorium. Następnym krokiem jest przeprowadzenie testów w naturalnym środowisku wodnym.