Navy / Wikimedia Commons
Американські вчені використали фотоакустичний ефект та передали дані з гідролокатора, не опускаючи його у воду. Згенеровані лазером акустичні хвилі поширюються під водою подібно до того, як працюють гідролокатори, однак при проході через межу вода-повітря, датчики вловлюють не лише відбитий сигнал, а і луну від нього. Цей способ дає змогу уникнути втрат сигналу при його поверненні з води, а також зондувати морське дно навіть на відстані десятків метрів, повідомляють вчені у своїй статті, опублікованій у журналі IEEE Access.
Тривимірне зображення зануреного об’єкта, відтворене за допомогою відбитих ультразвукових хвиль. Aidan Fitzpatrick
Що не так з гідролокаторами?
Зондування морського дна і побудова його зображень необхідне як для військових, так і біологічних завдань: від спостереження за рельєфом до пошуку уламків техніки. Однак радіосигнали з наземних станцій або літаків швидко поглинаються солоною водою через її низьку провідність і не можуть проникати глибоко під її поверхню, а акустичні сигнали, які використовуються у гідролокаторах через краще поширення під водою, практично не переходять через кордон води і повітря, позбавляє можливості отримувати дані з повітря. Тому для зв'язку з підводними апаратами використовуються проміжні пристрої, які розташовуються на поверхні води або під нею, проте пов'язані через кабель з поверхнею, перетворюючи акустичні сигнали в радіо- або електричні і навпаки. Проте для покриття більших площ, необхідно створювати величезну мережу з ретрансляторів в океанах. Через це інженери досліджують перспективу безконтактного з водою джерела звуку, який генерується за допомогою лазерної взаємодії з поверхнею води. Так, наприклад, інженери вже поєднували акустичні передавачі з радарами, щоб поєднати особливості взаємодії цих сигналів з межею, а у своїй новій роботі стенфордські вчені вирішили використати гібридний фотоакустичний підхід, що поєднає акустику та оптичне випромінювання, здатне глибоко проникати у воду, хоч і сильно розсіюючись.
Як цю проблему вирішили вчені?
Команда інженерів вирішила використати акустику, але індуковану лазером, що обходить обмеження глибини проникнення повністю оптичної або радіочастотної системи завдяки фотоакустичному ефекту. Він викликає виникнення звуку при опроміненні тіла (найчастіше газу), що призводить до локального нагрівання середовища і підвищення тиску, яке і результує у звукові коливання. Його перевага полягає в тому, що це лінійний процес, тобто зміна інтенсивності лазера безпосередньо впливає на амплітуду і фазу хвилі. Таким чином фотоакустичний ефект дає змогу порушувати резонансні акустичні хвилі на бажаній частоті, забезпечуючи при цьому когерентну обробку для відновлення зображення.
Як працює система?
Лазер через фотоакустичний ефект створює на поверхні води акустичні хвилі, які поширюються під водою аналогічно звичайним сигналам гiдролокатора: відбиваються від об'єктів у воді і частково проходять через кордон розділу повітря-вода. Однак під час цього переходу, високочутливі ультразвукові перетворювачі(capacitive micromachined ultrasonic transducers, CMUT) вловлюють акустичне ехо, що дає змогу не втрачати сигнал через зміну середовищ. Після того, як отримується сигнал, він конвертується у тривимірне зображення. Інженери протестували прототип з невеликою місткістю, де він отримав зображення зануреного у воду металу.
Але потрібно враховувати, що на роботу інструменту також будуть впливати, наприклад, хвилі на воді - вони постійно змінюють форму і висоту поверхні, а отже і впливають на сигнал по-різному. Також, оскільки інженери планують використовувати цю систему на борту вертольота або дрона, які досліджуватимуть воду з висоти десятків метрів, потрібно враховувати звукові перешкоди: і вертольоти, і дрони у польоті нагнітають багато повітря і виробляють багато шуму, що може створити додаткові проблеми для надчутливих датчиків, коли вони намагатимуться вловити найменші звукові хвилі.