Insinyur menggabungkan cahaya dan suara untuk melihat di bawah air
Engine

Insinyur menggabungkan cahaya dan suara untuk melihat di bawah air


Penampilan seniman tentang sistem sonar lintas udara fotoakustik yang beroperasi dari drone untuk merasakan dan menggambarkan objek bawah air. Kredit: Kindea Labs

Insinyur Universitas Stanford telah mengembangkan metode udara untuk pencitraan objek bawah air dengan menggabungkan cahaya dan suara untuk menerobos penghalang yang tampaknya tidak dapat dilewati pada antarmuka udara dan air.

Para peneliti membayangkan sistem optik-akustik hibrid mereka suatu hari akan digunakan untuk melakukan survei laut biologis berbasis drone dari udara, melakukan pencarian udara berskala besar terhadap kapal dan pesawat yang tenggelam, dan memetakan kedalaman laut dengan kecepatan dan tingkat yang sama. detail sebagai lanskap Bumi. “Photoacoustic Airborne Sonar System” mereka dirinci dalam studi terbaru yang diterbitkan dalam jurnal Akses IEEE.

“Sistem radar udara dan angkasa dan berbasis laser, atau LIDAR, telah mampu memetakan lanskap bumi selama beberapa dekade. Sinyal radar bahkan mampu menembus cakupan awan dan cakupan kanopi. Namun, air laut terlalu menyerap untuk pencitraan ke dalam air, “kata pemimpin studi Amin Arbabian, seorang profesor teknik elektro di Sekolah Teknik Stanford. “Tujuan kami adalah mengembangkan sistem yang lebih kuat yang dapat mengambil gambar bahkan melalui air keruh.”

Subhead: Kehilangan energi

Lautan menutupi sekitar 70 persen permukaan bumi, namun hanya sebagian kecil dari kedalamannya yang telah mengalami pencitraan dan pemetaan resolusi tinggi.

Penghalang utama berkaitan dengan fisika: Gelombang suara, misalnya, tidak dapat berpindah dari udara ke air atau sebaliknya tanpa kehilangan sebagian besar — ​​lebih dari 99,9 persen — energinya melalui refleksi terhadap medium lain. Sebuah sistem yang mencoba untuk melihat bawah air menggunakan gelombang suara yang merambat dari udara ke air dan kembali ke udara mengalami kehilangan energi ini dua kali — menghasilkan pengurangan energi sebesar 99,9999 persen.

Demikian pula, radiasi elektromagnetik — istilah umum yang mencakup sinyal cahaya, gelombang mikro, dan radar — juga kehilangan energi saat diteruskan dari satu media fisik ke media fisik lainnya, meskipun mekanismenya berbeda dengan suara. “Cahaya juga kehilangan sebagian energi dari refleksi, tetapi sebagian besar kehilangan energi disebabkan oleh penyerapan oleh air,” jelas penulis utama studi Aidan Fitzpatrick, seorang mahasiswa pascasarjana Stanford di bidang teknik listrik. Kebetulan, penyerapan ini juga menjadi alasan mengapa sinar matahari tidak dapat menembus kedalaman laut dan mengapa smartphone Anda — yang mengandalkan sinyal seluler, suatu bentuk radiasi elektromagnetik — tidak dapat menerima panggilan di bawah air.

Hasil dari semua ini adalah bahwa lautan tidak dapat dipetakan dari udara dan dari luar angkasa dengan cara yang sama seperti yang dilakukan oleh daratan. Sampai saat ini, sebagian besar pemetaan bawah air telah dicapai dengan memasang sistem sonar ke kapal yang merayap di wilayah tertentu. Tetapi teknik ini lambat dan mahal, dan tidak efisien untuk mencakup area yang luas.

Insinyur Stanford menggabungkan cahaya dan suara untuk melihat di bawah air

Animasi yang menampilkan gambar 3D dari objek terendam yang dibuat ulang menggunakan gelombang ultrasonik yang dipantulkan. Kredit: Aidan Fitzpatrick)

Subhead: Puzzle jigsaw yang tidak terlihat

Masuk ke Photoacoustic Airborne Sonar System (PASS), yang menggabungkan cahaya dan suara untuk menerobos antarmuka air-air. Ide untuk itu berasal dari proyek lain yang menggunakan gelombang mikro untuk melakukan pencitraan “non-kontak” dan karakterisasi akar tanaman bawah tanah. Beberapa instrumen PASS awalnya dirancang untuk tujuan itu bekerja sama dengan laboratorium profesor teknik kelistrikan Stanford, Butrus Khuri-Yakub.

Intinya, PASS memainkan kekuatan individu dari cahaya dan suara. “Jika kita bisa menggunakan cahaya di udara, di mana cahaya bergerak dengan baik, dan suara di air, di mana suara bergerak dengan baik, kita bisa mendapatkan yang terbaik dari kedua dunia,” kata Fitzpatrick.

Untuk melakukan ini, sistem pertama-tama menembakkan laser dari udara yang diserap di permukaan air. Saat laser diserap, laser menghasilkan gelombang ultrasonik yang merambat ke bawah melalui kolom air dan memantulkan objek bawah air sebelum meluncur kembali ke permukaan.

Gelombang suara yang kembali masih menghabiskan sebagian besar energinya ketika mereka menembus permukaan air, tetapi dengan menghasilkan gelombang suara di bawah air dengan laser, para peneliti dapat mencegah kehilangan energi terjadi dua kali.

“Kami telah mengembangkan sistem yang cukup sensitif untuk mengkompensasi kehilangan sebesar ini dan masih memungkinkan deteksi dan pencitraan sinyal,” kata Arbabian.

Gelombang ultrasonik yang dipantulkan direkam oleh instrumen yang disebut transduser. Perangkat lunak kemudian digunakan untuk menyatukan kembali sinyal akustik seperti teka-teki gambar yang tidak terlihat dan merekonstruksi gambar tiga dimensi dari fitur atau objek yang terendam.

“Mirip dengan bagaimana cahaya membiaskan atau ‘membelok’ ketika melewati air atau media yang lebih padat dari udara, ultrasound juga membias,” jelas Arbabian. “Algoritme rekonstruksi gambar kami mengoreksi pembengkokan yang terjadi saat gelombang ultrasonik berpindah dari air ke udara.”

Subhead: Survei laut drone

Sistem sonar konvensional dapat menembus hingga kedalaman ratusan hingga ribuan meter, dan para peneliti berharap sistem mereka pada akhirnya dapat mencapai kedalaman yang sama.

Sampai saat ini, PASS baru diujicobakan di lab dalam wadah seukuran tangki ikan besar. “Eksperimen saat ini menggunakan air statis tetapi kami saat ini bekerja untuk menangani gelombang air,” kata Fitzpatrick. “Ini adalah tantangan, tapi kami pikir masalah yang mungkin terjadi.”

Langkah selanjutnya, kata para peneliti, akan melakukan tes dalam pengaturan yang lebih besar dan, pada akhirnya, lingkungan perairan terbuka.

“Visi kami untuk teknologi ini ada di dalam helikopter atau drone,” kata Fitzpatrick. “Kami berharap sistem tersebut mampu terbang pada puluhan meter di atas air.”


Mengukur suhu lautan dengan mengukur kecepatan gelombang suara yang melewatinya


Informasi lebih lanjut:
Aidan Fitzpatrick dkk, Sistem Sonar Lintas Udara untuk Pencitraan dan Penginderaan Jauh Bawah Air, Akses IEEE (2020). DOI: 10.1109 / ACCESS.2020.3031808

Disediakan oleh Universitas Stanford

Kutipan: Insinyur menggabungkan cahaya dan suara untuk melihat di bawah air (2020, 1 Desember) diakses 1 Desember 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-12-combine-underwater.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Lagu togel