Новый сонар быстро и точно картирует дно океана с поверхности
При том, что океаны занимают 71% поверхности Земли, свыше 80% подводного пространства остается неизученным. Люди знают больше о поверхности других планет и Луны, чем о дне океанов. Подробные карты морского дна помогли бы не только в поиске затонувших кораблей и самолетов, но и в решении других важных задач: изучении геологии Земли, улучшении прогнозов погоды и климата (которые зависят от океанских течений), поиске древних артефактов, наблюдении за морскими животными и растениями, а также в обнаружении полезных ископаемых. Но проблема в том, что сейчас нет технологий, которые позволяли бы получать изображения с точностью до метра, находясь на поверхности воды. Средняя глубина океана — около 3700 м. При этом существующие методы, такие как сонар, лидар, подводные камеры и измерение гравитационного поля, работают на глубине не больше 1000 м.
Суда с крупными сонарными массивами на корпусе создают карты глубокого океана, излучая низкочастотные звуковые волны, которые отражаются от морского дна и возвращаются как эхо. Низкие частоты необходимы, поскольку вода поглощает высокочастотные волны на больших глубинах. Но эта вынужденная мера снижает разрешение до размера футбольного поля на пиксель. Разрешение ограничено также размером сонарной апертуры, который зависит от пространства на корпусе корабля. В свою очередь, сонары на автономных подводных аппаратах (AUV) работают на высоких частотах вблизи дна и дают карты с разрешением до одного квадратного метра на пиксель, что в 10 000 раз увеличивает плотность данных. Однако эти аппараты имеют ограничения: они медленные, требуют много времени и затрат для развертывания, их дальность ограничена 1 000 м, а скорость картографирования составляет лишь 8 км²/ч — в 50 раз медленнее, чем у кораблей.
Технология автономного многолучевого эхолота с разреженной апертурой может стать экономически выгодным способом быстрой и высокоточной съемки морского дна с поверхности.
Флот из примерно 20 автономных надводных судов (autonomous surface vessels, ASV) с небольшими гидролокаторами образует единую решетку сонара, в 100 раз превышающую размер обычных корабельных систем. Большая апертура (сотни метров) формирует узкий луч, обеспечивая высокое разрешение даже на низких частотах. Неплотное расположение гидролокаторов позволяет снизить стоимость системы.
Однако такая установка вызывает несколько операционных проблем. Во-первых, для когерентного 3D-изображения необходимо точно отслеживать относительное положение каждого подмассива сонаров с учетом движений, вызванных океанскими условиями. Во-вторых, из-за расстояний между элементами сонара установка имеет низкое отношение сигнал/шум и хуже фильтрует шумы с нежелательных направлений. Чтобы решить эти проблемы, команда разрабатывает недорогую систему прецизионной навигации и использует акустическую обработку сигналов и новые алгоритмы оценки океанского поля. Сотрудники MIT создают алгоритмы для обработки данных и формирования изображений, включая оценку параметров водной толщи по глубине. Эти технологии помогут учесть сложную океанскую физику, включая температуру, течения, волны и другие.
Обработка данных и управление автономными аппаратами могут вестись как на борту, так и удаленно. Например, аппараты, запущенные с корабля, могут неделями и месяцами самостоятельно изучать дно, получая команды с берега (через спутник) или с близкого судна сопровождения (по прямой или спутниковой связи). Проверка работы сонара и первичное составление карты дна происходят на борту, а для создания подробной карты высокого разрешения нужен мощный компьютер на берегу или на корабле сопровождения. Это упростит логистику и снизит эксплуатационные расходы.
С начала исследований в 2018 году команда превратила свою концепцию в прототип. Сначала ученые построили масштабную модель гидролокатора с разреженной апертурой и протестировали ее в лаборатории. Затем они разработали сонарный подмассив размером с ASV и продемонстрировали его работу в Массачусетсе. В ходе морских испытаний в Бостонской гавани они развернули 8-метровую установку с несколькими подмассивами, эквивалентными 25 ASV, и создали 3D-реконструкции морского дна и затонувшего корабля. Недавно они изготовили первый электрический ASV длиной 3 м с массивом гидролакаторов. С помощью этого прототипа они провели предварительные навигационные испытания.