Sistemul sonar fotoacustic Air combină lumina și sunetul pentru a vedea sub apă

Interpretarea unui artist al sistemului sonor de aer acustic care operează de la o dronă pentru a înțelege și a imagina obiecte subacvatice. Credit: Kindea Labs

„Sistemul sonar fotoacustic aerian sonar” poate fi instalat sub drone pentru a permite inspecții aeriene subacvatice și hărți de înaltă rezoluție ale oceanului adânc.

Inginerii Universității Stanford au dezvoltat o metodă aeriană pentru imagistica obiectelor subacvatice prin combinarea luminii și a sunetului pentru a sparge bariera aparent insurmontabilă de la interfața aer-apă.

Cercetătorii prezic că sistemul lor optic-acustic hibrid va fi folosit într-o zi pentru a efectua studii biologice marine din aer, pentru a efectua cercetări aeriene pe scară largă a navelor și avioanelor scufundate și pentru a cartografia adâncimile oceanului la o viteză și un nivel similar cu detalii precum peisajele de pe Pământ. Sistemul lor „Photoacoustic Airborne Sonar” este detaliat într-un studiu recent publicat în jurnal Acces la IEEE.

„Sistemele radar și aeriene și cele bazate pe laser, sau LIDAR-urile, au reușit să cartografieze peisajele Pământului de zeci de ani. Semnalele radar pot chiar să pătrundă în acoperișul de nor și în acoperiș. Cu toate acestea, apa de mare este prea absorbantă pentru a face fotografii în apă ”, a declarat liderul studiului Amin Arbabian, profesor asociat de inginerie electrică la Stanford School of Engineering. „Scopul nostru este să dezvoltăm un sistem mai puternic care să poată imagina chiar și prin apă întunecată”.

Pierderea de energie

Oceanele acoperă aproximativ 70% din suprafața Pământului, totuși doar o mică parte din adâncimea lor a fost supusă unor imagini și hărți de înaltă rezoluție.

Principalul dezavantaj are legătură cu fizica: undele sonore, de exemplu, nu pot trece din aer în apă sau invers fără a pierde cea mai mare parte – mai mult de 99,9 la sută – din energia lor prin reflexie împotriva celuilalt mediu. Un sistem care încearcă să vadă sub apă folosind unde sonore care călătoresc din aer în apă și înapoi în aer este supus acestei pierderi de energie de două ori – rezultând o reducere a energiei de 99,9999%.

În mod similar, radiația electromagnetică – un termen umbrelă care include semnale luminoase, cu microunde și radar – pierde, de asemenea, energie pe măsură ce trece de la un mediu fizic la altul, deși mecanismul este diferit de cel al sunetului. „Lumina pierde și o anumită energie din reflexie, dar cea mai mare parte a pierderii de energie se datorează absorbţie lângă apă ”, a explicat autorul principal al studiului, Aidan Fitzpatrick, student în inginerie electrică din Stanford. De altfel, această absorbție este, de asemenea, motivul pentru care lumina soarelui nu poate pătrunde adânc în ocean și de ce smartphone-ul dvs. – care se bazează pe semnale celulare, o formă de radiație electromagnetică – nu poate primi apeluri sub apă.

Configurarea experimentală a sonarului sistemului sonar

Configurarea experimentală a sistemului sonor fotoacustic în aer (stânga). Un „S” subacvatic Stanford este reconstruit în 3D folosind unde ultrasunete reflectate (dreapta). Credit: Aidan Fitzpatrick

Rezultatul tuturor acestora este că oceanele nu pot fi trase din aer și din spațiu în același mod în care poate fi pământul. Până în prezent, majoritatea hărților subacvatice au fost realizate prin atașarea sistemelor hidrosanitare la navele care mută o anumită regiune de interes. Dar această tehnică este lentă și costisitoare și ineficientă pentru a acoperi suprafețe mari.

Un puzzle invizibil

Conectați-vă la sistemul fotoacustic Sonar Airborne (PASS), care combină lumina și sunetul pentru a rupe interfața aer-apă. Ideea pentru aceasta a venit dintr-un alt proiect care a folosit microundele pentru a realiza imagini „fără contact” și pentru a caracteriza rădăcinile plantelor subterane. Unele dintre instrumentele PASS au fost create inițial în acest scop în colaborare cu laboratorul profesorului de inginerie electrică din Stanford Butrus Khuri-Yakub.

În centrul său, PASS se joacă cu forțe individuale ale luminii și sunetului. “Dacă putem folosi lumina în aer, unde lumina călătorește bine și sunetul în apă, unde sunetul călătorește bine, putem obține cele mai bune din ambele lumi”, a spus Fitzpatrick.

Pentru a face acest lucru, sistemul aprinde mai întâi un laser din aerul absorbit pe suprafața apei. Când laserul este absorbit, acesta generează unde cu ultrasunete care se propagă în jos prin coloana de apă și se reflectă din obiectele subacvatice înainte de a reveni la suprafață.

Undele sonore inversate sunt încă epuizate din cea mai mare parte a energiei lor atunci când traversează suprafața apei, dar prin generarea undelor sonore subacvatice cu lasere, cercetătorii pot preveni pierderea de energie de două ori.

“Am dezvoltat un sistem care este suficient de sensibil pentru a compensa o pierdere de această amploare și care permite în continuare detectarea semnalului și imagistica”, a spus Arbabian.

Detectarea caracteristicilor scufundate

O animație care arată imaginea 3D a obiectului scufundat recreat cu ajutorul undelor ultrasunete reflectate. Credit: Aidan Fitzpatrick

Undele ultrasunete reflectate sunt înregistrate de instrumente numite traductoare. Apoi, software-ul este folosit pentru a îmbina semnalele acustice împreună ca o fuziune de imagini invizibile și pentru a reconstrui o imagine tridimensională a caracteristicii sau obiectului scufundat.

“Similar cu modul în care lumina este refractată sau” îndoită “atunci când trece prin apă sau orice mediu mai dens decât aerul, ultrasunetele sunt, de asemenea, refractate”, a explicat Arbabian. „Algoritmii noștri de reconstrucție a imaginii corectează această curbură care apare atunci când undele cu ultrasunete trec din apă în aer”.

Sondaje oceanice cu drone

Sistemele sonare convenționale pot pătrunde până la adâncimi de sute până la mii de metri, iar cercetătorii se așteaptă ca sistemul lor să poată ajunge în cele din urmă la adâncimi similare.

Până în prezent, PASS a fost testat în laborator doar într-un recipient de dimensiunea unui rezervor mare de pește. „Experimentele actuale utilizează apă statică, dar în prezent lucrăm la tratarea valurilor de apă”, a spus Fitzpatrick. „Aceasta este o problemă provocatoare, dar credem că este posibilă”.

Următorul pas, spun cercetătorii, va fi efectuarea testelor într-un mediu mai mare și, în cele din urmă, într-un mediu cu apă deschisă.

“Viziunea noastră pentru această tehnologie este la bordul unui elicopter sau al unei drone”, a spus Fitzpatrick. „Ne așteptăm ca sistemul să poată zbura cu zeci de metri deasupra apei”.

Referință: „Un sistem aerian sonar pentru detectarea și imagistica distanței subacvatice” de Aidan Fitzpatrick, Ajay Singhvi și Amin Arbabian, 16 octombrie 2020, Explorează EEEE.
DOI: 10.1109 / AKSES.2020.3031808

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Materialul nou poate proteja mai bine soldații, sportivii și șoferii de șoc, impact și explozii

Soldații, sportivii și șoferii pot face viața mai sigură datorită unui nou proces care ar putea duce la o protecție mai eficientă și reutilizabilă...

A fost găsit cel mai vechi loc de înmormântare uman din Africa – un copil a fost îngropat în urmă cu 78.000 de ani

Vedere generală a zonei peșterii Panga ya Saidi. Observați săparea șanțului unde a fost deschisă înmormântarea. Credit: Muhammad Javad Shoaee Descoperirea celui mai...

Se preconizează că speciile non-native vor crește cu 36% în întreaga lume până în 2050

Gâscă egipteană (Alopochen aegyptiaca) originară din Africa și stabilită acum în Europa Centrală și de Vest. Credit: profesorul Tim Blackburn, UCL Se preconizează că...

Visele noastre pot fi ciudate

Această ilustrație reflectă supra-ipoteza creierului, care susține că calitatea redusă și halucinantă a viselor nu este o greșeală, ci o trăsătură particulară, deoarece ajută...

Newsletter

Subscribe to stay updated.