Underwater Acoustic Source Signal Detection Using Terahertz Radar Sensors

कल्पना कीजिए कि आप एक नाव पर खड़े हैं और गहरे पानी के नीचे हो रही एक गुप्त बातचीत को सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यह एक मोटी, ध्वनि-रोधी दीवार के माध्यम से फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करने जैसा है; पानी ध्वनि को हवा में बाहर निकलने से रोकता है, और हवा ध्वनि को वापस अंदर आने से रोकती है। यह उन वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए एक बहुत बड़ी समस्या है जो एक "अंतरिक्ष-वायु-भूमि-समुद्र" नेटवर्क बनाना चाहते हैं, जो एक सुपर-कनेक्टेड सिस्टम है जहाँ उपग्रह, विमान और पनडुब्बियाँ आपस में बात कर सकें। आमतौर पर, यदि आप एक पनडुब्बी को खोजना चाहते हैं, तो आपको सुनने के लिए एक पनडुब्बी भेजनी पड़ती है, क्योंकि ध्वनि तरंगें समुद्र की सतह से एक गेंद के ट्रैम्पोलिन से टकराने की तरह टकराकर वापस लौट जाती हैं, और रेडियो तरंगें (जैसे वाई-फाई) पानी से टकराते ही खत्म हो जाती हैं।

लेकिन प्रकृति के पास एक चालाकी भरा छोटा सा तरीका है। जब पानी के नीचे कोई ध्वनि स्रोत कंपन करता है, तो वह केवल छिपा नहीं रहता; वह वास्तव में पानी की सतह को धकेलता और खींचता है, जिससे सूक्ष्म, अत्यंत सूक्ष्म लहरें पैदा होती हैं। ये वे बड़ी लहरें नहीं हैं जिन्हें आप नाव से देखते हैं; ये सूक्ष्म झनझनाहटें हैं, जो एक मानव बाल की चौड़ाई से भी छोटी हैं, जो पानी के नीचे की ध्वनि की लय के साथ नाचती हैं। यदि आप इन अदृश्य झनझनाहटों को देख पाते, तो आप बिना गीले हुए भी समझ सकते कि पानी के नीचे क्या हो रहा है। चुनौती यह है कि ये झनझनाहटें इतनी छोटी हैं और समुद्र हवा और बड़ी लहरों के कारण इतना शोर भरा है कि उन्हें पहचानना एक रॉक कॉन्सर्ट के बीच में एक पिन गिरने की आवाज़ सुनने जैसा है।

यह शोध पत्र इस बारे में है कि कैसे शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक सुपर-सटीक "हवा का कान" बनाया जो वास्तव में इन सूक्ष्म झनझनाहटों को सुन सकता है। उन्होंने माइक्रोफ़ोन या कैमरा का उपयोग नहीं किया; उन्होंने एक विशेष प्रकार के रडार का उपयोग किया जो टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों (terahertz frequencies) पर काम करता है—एक प्रकार का प्रकाश जो माइक्रोवेव और इन्फ्रारेड के बीच स्थित है। इस रडार को एक सुपर-सटीक रूलर की तरह समझें जो रेत के एक कण से भी छोटे दूरी के बदलाव को माप सकता है। टीम ने प्रयोगों के माध्यम से यह देखने के लिए सेटअप किया कि क्या वे पानी की सतह के नाचने को देखकर पानी के नीचे की ध्वनियों का पता लगा सकते हैं। उन्होंने पाया कि हालांकि समुद्र अव्यवस्थित और शोर वाला है, लेकिन उनका विशेष रडार और एक चतुर नया गणितीय तरीका शोर को फ़िल्टर कर सकता है और समुद्र के उथल-पुथल के बावजूद उन सूक्ष्म, लयबद्ध झनझनाहटों को पहचान सकता है।

अदृश्य नृत्य और सुपर-रूलर

शोधकर्ताओं ने एक सरल प्रश्न से शुरुआत की: यदि पानी के नीचे का कोई स्पीकर ध्वनि उत्पन्न करता है, तो क्या पानी की सतह वास्तव में हिलती है? उत्तर है हाँ, लेकिन यह हलचल अविश्वसनीय रूप से छोटी है। यह समझने के लिए कि उन्होंने इस हलचल को कैसे पकड़ा, समुद्र की सतह को एक विशाल, उछलने वाले ट्रैम्पोलिन के रूप में कल्पना करें। यदि आप इस पर कूदते हैं, तो यह ऊपर-नीचे उछलता है। लेकिन यदि कोई इसके नीचे से एक गुप्त लय में फुसफुसाता है, तो इसका कपड़ा उस फुसफुसाहट की लय के साथ बस थोड़ा सा हिल सकता है। समस्या यह है कि हवा ट्रैम्पोलिन को बेतहाशा हिला रही है, और वह "फुसफुसाहट" वाली हलचल इतनी छोटी है कि वह इस अराजकता में खो जाती है।

इसे पकड़ने के लिए, टीम ने एक कस्टम रडार सिस्टम बनाया। अधिकांश रडार फ्लैशलाइट की तरह होते हैं जो वस्तुओं से टकराकर प्रकाश को वापस भेजते हैं ताकि वे दूरी देख सकें। लेकिन यह रडार एक लेज़र पॉइंटर की तरह है जो इतना स्थिर और सटीक है कि यह माप सकता है कि ट्रैम्पोलिन का कपड़ा एक बाल की चौड़ाई के एक अंश तक भी हिला है या नहीं। उन्होंने 122.5 GHz की आवृत्ति का उपयोग किया, जो टेराहर्ट्ज़ रेंज में है। इतना उच्च क्यों? क्योंकि आवृत्ति जितनी अधिक होगी, रडार सूक्ष्म हलचलों के प्रति उतना ही संवेदनशील होगा। यह एक आवर्धक लेंस (magnifying glass) के बजाय सूक्ष्मदर्शी (microscope) का उपयोग करने जैसा है; आवृत्ति जितनी अधिक होगी, आप विवरण उतने ही सूक्ष्म देख पाएंगे।

शोर की समस्या और गणित का जादू

सबसे बड़ी बाधा रडार बनाना नहीं था; बल्कि समुद्र से निपटना था। समुद्र कभी शांत नहीं होता। एक शांत दिन पर भी, बड़ी लहरें चलती हैं, और सतह पर छोटे बुलबुले फूटते हैं। ये भारी मात्रा में "शोर" पैदा करते हैं जो पानी के नीचे की ध्वनि के सूक्ष्म संकेत को दबा देता है। यह एक ऐसे गाने में एक विशिष्ट धुन खोजने जैसा है जहाँ एक हजार लोग एक साथ चिल्ला रहे हों।

शोधकर्ताओं ने सुनने के कुछ अलग तरीके आजमाए। पहले, उन्होंने सिग्नल की ताकत (amplitude) को देखा, लेकिन यह चिल्लाने की तीव्रता को देखकर फुसफुसाहट सुनने जैसा था; यह अच्छी तरह से काम नहीं किया क्योंकि समुद्र की हलचल तीव्रता को बहुत अधिक बदल देती है। फिर, उन्होंने सिग्नल के समय (phase) को सुनने की कोशिश की। यह एक ड्रम की थाप के सटीक क्षण को सुनने जैसा है। क्योंकि रडार बहुत सटीक है, पानी की सतह में एक छोटा सा बदलाव भी प्रतिध्वनि (echo) के समय को बदल देता है। यह विधि बहुत बेहतर थी, लेकिन समुद्र अभी भी बहुत शोर वाला था।

इसलिए, उन्होंने "वेवलेट पैकेट डायनेमिक थ्रेशोल्डिंग" (Wavelet Packet Dynamic Thresholding) नामक एक नया गणितीय तरीका बनाया। कल्पना कीजिए कि आपके पास एक शोर भरी पार्टी की रिकॉर्डिंग है, और आप एक विशिष्ट व्यक्ति की गुनगुनाहट ढूंढना चाहते हैं। एक साधारण फ़िल्टर सब कुछ धीमा कर सकता है, लेकिन इससे गुनगुनाहट भी धीमी हो जाएगी। यह नया गणितीय तरीका अधिक स्मार्ट है। यह ध्वनि को छोटे टुकड़ों में तोड़ता है और उन्हें एक-एक करके देखता है। यह जानता है कि समुद्र की लहरें धीमी और कम पिच वाली होती हैं, जबकि पानी के नीचे की ध्वनि तेज़ और उच्च पिच वाली होती है। यह एक क्लब के एक सुपर-स्मार्ट बाउंसर की तरह काम करता है, जो धीमी, तेज़ लहरों को गुजरने देता है लेकिन उन्हें वीआईपी रूम में प्रवेश करने से रोकता है जहाँ सूक्ष्म, उच्च-पिच वाली गुनगुनाहट है। फिर यह यह तय करने के लिए एक विशेष नियम (जिसे SURE मानदंड कहा जाता है) का उपयोग करता है कि कितनी शोर को बाहर निकाला जाए ताकि गलती से फुसफुसाहट बाहर न निकल जाए।

वास्तविक दुनिया का परीक्षण

टीम ने यह केवल कंप्यूटर पर नहीं किया; वे वास्तविक समुद्र में गए। उन्होंने तट के पास एक प्लेटफॉर्म पर और बाद में पानी के ऊपर उड़ते हुए एक ड्रोन (क्वाडरोटर UAV) पर अपना रडार स्थापित किया। उन्होंने विभिन्न गहराइयों पर पानी के नीचे एक ध्वनि स्रोत रखा और अलग-अलग स्वर बजाए।

यहाँ उन्होंने क्या पाया:

• यह वास्तविक समुद्र में काम करता है: उन्होंने सफलतापूर्वक पानी के नीचे की ध्वनियों का पता लगाया, भले ही समुद्र "सी स्टेट 2" (Sea State 2) में था, जिसका अर्थ है कि छोटी लहरें और कुछ फुहारें मौजूद थीं। यह एक बड़ी बात है क्योंकि पिछले परीक्षण ज्यादातर शांत, नियंत्रित टैंकों में किए गए थे।
• गहराई की सीमा: उन्होंने पाया कि यह प्रणाली तब सबसे अच्छा काम करती है जब ध्वनि स्रोत सतह के करीब होता है। जब स्रोत 0.5 मीटर गहरा था, तो सिग्नल स्पष्ट था। जब उन्होंने इसे 2.0 मीटर तक नीचे किया, तो सिग्नल बहुत कमजोर हो गया और लगभग गायब हो गया। यह ऐसा है जैसे ध्वनि पानी में "फंस" जाती है जब वह सतह तक पहुँचने की कोशिश करती है।
• ऊंचाई की सीमा: जब उन्होंने ड्रोन का उपयोग किया, तो उन्होंने पाया कि यदि ड्रोन बहुत ऊँचा (3 मीटर से ऊपर) उड़ता है, तो सिग्नल धुंधला और पढ़ने में कठिन हो जाता है। ड्रोन की अपनी थरथराहट और दूरी ने सूक्ष्म लहरों को देखना कठिन बना दिया।
• शक्ति की सीमा: पानी के नीचे की ध्वनि पर्याप्त तेज़ होनी चाहिए थी। यदि स्रोत बहुत शांत (169 dB से कम) था, तो रडार पृष्ठभूमि के शोर और ध्वनि के बीच अंतर नहीं कर सका।

इसका क्या अर्थ है

यह शोध पत्र दिखाता है कि हम पानी की सतह के नाचने को देखकर, एक सुपर-सściक रडार और एक स्मार्ट गणितीय फ़िल्टर का उपयोग करके पानी के नीचे की ध्वनियों को "देख" सकते हैं। यह अभी तक हर चीज़ के लिए जादुई समाधान नहीं है। टीम मानती है कि यदि समुद्र वास्तव में अशांत (Sea State 2 से अधिक) हो जाता है, या यदि ध्वनि स्रोत बहुत गहरा है, तो सिस्टम संघर्ष करता है। उन्होंने यह भी उल्लेख किया कि ड्रोन को बहुत स्थिर रहने की आवश्यकता है।

हालाँकि, यह एक बड़ी प्रगति है। यह साबित करता है कि हमें हमेशा समुद्र को सुनने के लिए पनडुब्बी भेजने की आवश्यकता नहीं होती है; हम आकाश से भी सुन सकते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि भविष्य में, वे केवल ध्वनि की पिच ही नहीं, बल्कि विभिन्न प्रकार की पानी के नीचे की ध्वनियों को पहचानने के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) का उपयोग करके रडार को और स्मार्ट बना सकते हैं। वे अधिक अशांत समुद्रों में और बेहतर ड्रोन के साथ भी परीक्षण करना चाहते हैं जो हवा में भी स्थिर रह सकें। फिलहाल, उन्होंने दिखाया है कि पानी की सतह का अदृश्य नृत्य वास्तविक है, और सही उपकरणों के साथ, हम अंततः उसके नीचे बज रहे संगीत को सुन सकते हैं।