Underwater Acoustic Source Signal Detection Using Terahertz Radar Sensors

تخيل أنك تحاول الاستماع إلى محادثة سرية تجري في أعماق المياه بينما تقف أنت على متن قارب فوقها. الأمر يشبه محاولة سماع همس من خلال جدار سميك عازل للصوت؛ فالمياه تمنع الصوت من الهروب إلى الهواء، والهواء يمنع الصوت من العودة إلى الداخل. هذه مشكلة ضخمة للعلماء والمهندسين الذين يرغبون في بناء شبكة "الفضاء-الجو-الأرض-البحر"، وهي نظام فائق الاتصال حيث يمكن للأقمار الصناعية والطائرات والغواصات التواصل مع بعضها البعض. عادةً، إذا أردت العثور على غواصة، عليك إرسال غواصة للاستماع، لأن الموجات الصوتية ترتد مباشرة عن سطح المحيط مثل كرة تصطدم بترامبولين، كما أن موجات الراديو (مثل الواي فاي) تموت بمجرد اصطدامها بالماء.

لكن الطبيعة تملك خدعة ماكرة صغيرة. فعندما يهتز مصدر صوت تحت الماء، فإنه لا يبقى مختبئاً فحسب؛ بل إنه يدفع ويسحب سطح الماء بالفعل، مما يخلق تموجات صغيرة جداً. ليست هذه هي الأمواج الكبيرة التي تراها من القارب، بل هي ارتجافات مجهرية، أصغر من عرض شعرة الإنسان، تتراقص على إيقاع الصوت الموجود تحت الماء. إذا استطعت رؤية هذه الارتجافات غير المرئية، يمكنك معرفة ما يحدث تحت الماء دون أن تبتل أبداً. التحدي هو أن هذه الارتجافات صغيرة جداً والمحيط صاخب جداً بسبب الرياح والأمواج الكبيرة، لذا فإن رصدها يشبه محاولة سماع سقوط دبوس واحد في منتصف حفلة صاخبة.

تخبرنا هذه الورقة البحثية قصة فريق من الباحثين الذين بنوا "أذناً" فائقة الدقة للهواء يمكنها بالفعل سماع هذه الارتجافات المجهرية. لم يستخدموا ميكروفوناً أو كاميرا؛ بل استخدموا نوعاً خاصاً من الرادار يعمل بترددات "تيرهرتز" — وهو نوع من الضوء يقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء. فكر في هذا الرادار كمسطرة فائقة الدقة يمكنها قياس تغيرات المسافة بمقدار أصغر من حبة الرمل. قام الفريق بإجراء تجارب لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم استخدام هذا الرادار للكشف عن الأصوات تحت الماء من خلال مراقبة رقص سطح الماء. ووجدوا أنه بينما يكون المحيط فوضوياً وصاخباً، فإن رادارهم الخاص وحيلة رياضية ذكية يمكنهما تصفية الضجيج ورصد تلك الارتجافات الإيقاعية الصغيرة، حتى عندما يكون البحر هائجاً.

الرقص الخفي والمسطرة الفائقة

بدأ الباحثون بطرح سؤال بسيط: إذا أصدر مكبر صوت تحت الماء صوتاً، فهل يتحرك سطح الماء حقاً؟ الإجابة هي نعم، لكن الحركة صغيرة للغاية. لفهم كيف أمسكوا بهذه الحركة، تخيل سطح المحيط كترامبولين عملاق ومرن. إذا قفزت عليه، فإنه ينبض صعوداً وهبوطاً. ولكن إذا همس شخص ما بإيقاع سري من تحت الترامبولين، فقد يهتز النسيج قليلاً بالتزامن مع ذلك الهمس. المشكلة هي أن الرياح تهب وتجعل الترامبولين يتأرجح بجنون، والاهتزاز الناتج عن "الهمس" صغير جداً لدرجة أنه يضيع في وسط هذه الفوضى.

ولضبط هذا، بنى الفريق نظام رادار مخصصاً. معظم أجهزة الرادار تشبه المصابيح اليدوية التي تعكس الضوء عن الأجسام لترى مدى بعدها. لكن هذا الرادار يشبه مؤشر الليزر شديد الثبات والدقة الذي يمكنه قياس ما إذا كان نسيج الترامبولين قد تحرك بجزء من عرض شعرة. لقد استخدموا تردداً قدره 122.5 جيجاهرتز، وهو يقع في نطاق التيرهرتز. لماذا هذا التردد العالي؟ لأنه كلما زاد التردد، زادت حساسية الرادار للحركات الصغيرة. الأمر يشبه استخدام مجهر بدلاً من عدسة مكبرة؛ فكلما زاد التردد، زادت التفاصيل الصغيرة التي يمكنك رؤيتها.

مشكلة الضجيج وسحر الرياضيات

لم تكن العقبة الكبرى هي بناء الرادار، بل كانت التعامل مع المحيط. فالمحيط ليس ساكناً أبداً. حتى في الأيام الهادئة، تتدحرج أمواج كبيرة وتنفجر فقاعات صغيرة على السطح. وهذا يخلق كمية هائلة من "الضجيج" الذي يغرق الإشارة الصغيرة الناتجة عن الصوت تحت الماء. الأمر يشبه محاولة العثور على لحن معين في أغنية حيث يصرخ ألف شخص في وقت واحد.

جرب الباحثون عدة طرق للاستماع. أولاً، نظروا إلى قوة الإشارة (السعة/Amplitude)، لكن ذلك كان يشبه محاولة سماع الهمس من خلال النظر إلى مدى علو الصراخ؛ ولم ينجح الأمر جيداً لأن حركة المحيط غيرت مستوى العلو بشكل كبير جداً. ثم، حاولوا الاستماع إلى توقيت الإشارة (الطور/Phase). هذا يشبه الاستماع إلى اللحظة الدقيقة التي تضرب فيها دقة الطبل. ولأن الرادار دقيق للغاية، فإن أي تغيير طفيف في سطح الماء يغير توقيت الصدى. كانت هذه الطريقة أفضل بكثير، لكن المحيط كان لا يزال صاخباً للغاية.

لذا، ابتكروا حيلة رياضية جديدة تسمى "عتبة حزمة المويجات الديناميكية" (Wavelet Packet Dynamic Thresholding). تخيل أن لديك تسجيلاً لحفلة صاخبة، وتريد العثور على شخص واحد يهمهم بلحن ما. الفلتر البسيط قد يقوم فقط بخفض مستوى صوت كل شيء، لكن ذلك سيجعل الهمهمة أخفت أيضاً. هذه الحيلة الرياضية الجديدة أكثر ذكاءً؛ فهي تفكك الصوت إلى قطع صغيرة وتنظر إليها واحدة تلو الأخرى. إنها تعرف أن أمواج المحيط بطيئة ومنخفضة الطبقة، بينما الصوت تحت الماء أسرع وأعلى طبقة. إنها تعمل مثل "بواب" ذكي جداً في نادٍ ليلي، يسمح للأمواج البطيئة والصاخبة بالمرور عبر الباب، لكنه يمنعها من دخول الغرفة الخاصة (VIP) حيث يوجد ذلك الهمهم العالي والسرير. ثم تستخدم قاعدة خاصة (تسمى معيار SURE) لتقرر بالضبط مقدار الضجيج الذي يجب قطعه حتى لا تقطع الهمسة بالخطأ.

الاختبار في العالم الحقيقي

لم يكتفِ الفريق بهذا على الكمبيوتر؛ بل ذهبوا إلى المحيط الحقيقي. وضعوا الرادار الخاص بهم على منصة بالقرب من الساحل ولاحقاً على طائرة بدون طيار (درون من نوع كوادروتور) تحلق فوق الماء. وضعوا مصدراً صوتياً تحت الماء على أعماق مختلفة وشغلوا نغمات مختلفة.

إليك ما وجدوه:

• إنه يعمل في المحيط الحقيقي: نجحوا في اكتشاف الأصوات تحت الماء حتى عندما كان البحر في "حالة بحر 2" (Sea State 2)، مما يعني وجود أمواج صغيرة وبعض الرذاذ. وهذا أمر مهم لأن الاختبارات السابقة تمت في الغالب في خزانات هادئة ومتحكم بها.
• حد العمق: وجدوا أن النظام يعمل بشكل أفضل عندما يكون مصدر الصوت قريباً من السطح. عندما كان المصدر على عمق 0.5 متر، كانت الإشارة واضحة. وعندما خفضوه إلى 2.0 متر، أصبحت الإشارة ضعيفة جداً وتلاشت تقريباً. الأمر يشبه أن الصوت يصبح "عالقاً" في الماء أثناء محاولته الصعود إلى السطح.
• حد الارتفاع: عندما استخدموا الطائرة بدون طيار، وجدوا أنه إذا طارت الطائرة عالياً جداً (فوق 3 أمتار)، تصبح الإشارة مشوشة ويصعب قراءتها. اهتزاز الطائرة نفسها والمسافة جعلتا من الصعب رؤية التموجات الصغيرة.
• حد القدرة: كان يجب أن يكون الصوت تحت الماء عالياً بما يكفي. إذا كان المصدر هادئاً جداً (أقل من 169 ديسيبل)، لم يستطع الرادار التمييز بين الصوت وضجيج الخلفية.

ماذا يعني هذا؟

توضح الورقة البحثية أنه يمكننا "رؤية" الأصوات تحت الماء من خلال مراقبة رقص سطح الماء، باستخدام رادار فائق الدقة وفلتر رياضي ذكي. إنه ليس حلاً سحرياً يعمل لكل شيء بعد. يعترف الفريق بأنه إذا أصبح البحر هائجاً حقاً (أعلى من حالة البحر 2)، أو إذا كان مصدر الصوت عميقاً جداً، فإن النظام يعاني. كما أشاروا إلى أن الطائرة بدون طيار تحتاج إلى أن تكون ثابتة جداً.

ومع ذلك، تعد هذه خطوة كبيرة للأمام. فهي تثبت أننا لسنا بحاجة دائماً لإرسال غواصة للاستماع إلى المحيط؛ فقد نتمكن من الاستماع من السماء. يقترح الباحثون أنه في المستقبل، يمكنهم جعل الرادار أكثر ذكاءً باستخدام الذكاء الاصطناعي للتعرف على أنواع مختلفة من الأصوات تحت الماء، وليس فقط طبقتها. كما يريدون اختبار ذلك في بحار أكثر اضطراباً ومع طائرات بدون طيار أفضل يمكنها البقاء ثابتة حتى في الرياح. في الوقت الحالي، لقد أثبتوا أن الرقص الخفي لسطح الماء حقيقي، وبامتلاك الأدوات المناسبة، يمكننا أخيراً سماع الموسيقى التي تُعزف في الأسفل.