قياس المدى البصري تحت الماء مقاوم للتوهين باستخدام شعاع مهيكل شبيه بالبتلات مع كثافة طولية قابلة للتعديل

رؤية تحت مائية أوضح

صور تحت الماء الواضحة وقياسات المسافة الدقيقة ضرورية لمهمات مثل استكشاف حطام السفن، فحص البنى التحتية البحرية، أو توجيه الروبوتات تحت الماء. لكن المياه العكرة المملوءة بالجسيمات تشتت الضوء، ما يؤدي إلى إضعاف إشارات الليزر بسرعة وإعاقة الكاشفات على مسافات قريبة. تقدم هذه الدراسة نوعًا جديدًا من الشعاع الضوئي المشكّل بعناية الذي يحافظ على إشارة مفيدة قوية على مسافات أطول، مما يسهل «رؤية» وقياس الأجسام تحت الماء حتى عندما تكون المياه غائمة.

لماذا يواجه الضوء العادي صعوبة في المياه العكرة

تعتمد أنظمة قياس المدى الضوئي التقليدية تحت الماء على توقيت المدة التي يستغرقها الضوء للذهاب إلى جسم والعودة، أو على تحليل تعديل تردده. في المياه الصافية يكون ذلك دقيقًا للغاية، لكن في المياه العكرة يوسع الضوء المبعثر انتشاره زمنيًا ومكانيًا، ما يطمس الإشارة ويقلل التباين. زيادة قوة الليزر لرؤية أبعد ليست حلًا بسيطًا: الأهداف القريبة قد تطغى على الكاشف، بينما تبقى الأجسام البعيدة ضعيفة جدًا. بالإضافة إلى ذلك، لدى الكاشفات نطاق ديناميكي محدود — لا يمكنها قياس إشارات تختلف بشدة في السطوع بين الأجسام القريبة والبعيدة بشكل موثوق.

استخدام أنماط ضوئية دوارة لقياس المسافة

يبني الباحثون على فكرة مختلفة: ترميز المسافة في شكل الشعاع الضوئي بدلًا من الاعتماد على التوقيت فقط. يستخدمون شعاعًا مقطعه العرضي يشبه بتلتين مضيئتين. أثناء انتشار هذا الشعاع المهيكل، تدور نمط البتلتين ببطء. بقياس زاوية الدوران بعد أن يسافر الشعاع إلى هدف ويعود، يمكن استنتاج المسافة، تمامًا كما قراءة موضع عقرب مقياس. اعتمدت إصدارات سابقة من هذه التقنية على مكونين شعاعيين خاصين فقط، مما خلق نمط البتلات الدوار لكنه ترك جزءًا كبيرًا من طاقة الشعاع في حلقات خارجية باهتة لا تساهم في الإشارة المركزية المفيدة.

إعادة تدوير الضوء المهدور إلى المركز المفيد

التقدم المركزي في هذا العمل هو تصميم شعاع بتلي جديد «مقاوم للتوهين» يقوم عمدًا بنقل الطاقة من الحلقات الخارجية إلى منطقة البتلات المركزية أثناء انتشاره. بدلًا من استخدام مكوّنين فقط، يجمع الفريق عدة مكونات شعاعية مترابطة، كل منها ذو خاصية طولية مختلفة قليلًا. عن طريق اختيار قوى ومراحل هذه المكونات بعناية — على غرار تصميم شكل موجي صوتي بمزج نغمات عديدة — يتداخلون بشكل بنَّاء في مركز الشعاع على مدى مسافة محددة. فعليًا، أثناء انتشار الشعاع، تقوى البتلات المضيئة في المنتصف على حساب الحواف الجانبية، معوضة جزئيًا عن الخسارة الطبيعية الناجمة عن التشتت في الماء.

ضبط الشعاع ليتناسب مع خواص الماء

يقدم المؤلفون معلمة تصميم تحدد مدى سرعة زيادة كثافة البتلة المركزية مع المسافة. يمكن ضبط هذه المعلمة بناءً على مدى شدة تشتت الماء للضوء. في التجارب، أنتجوا مثل هذه الأشعة في خزان طوله 0.5 متر مملوء بماء تم التحكم في عكرته بواسطة جسيمات مجهرية. ثم قاسوا مقدار القدرة المتبقية في منطقة البتلات المركزية ومدى دقة استعادتهم للمسافة. بالمقارنة مع الشعاع ذي المكونين السابق، عزز التصميم متعدد المكونات الجديد قدرة البتلة المركزية بما يصل إلى حوالي 13 ديسيبل — أكثر من زيادة بعامل عشرة — عند مسافة 0.4 متر في ماء عكر. في نفس الظروف، حافظ الشعاع الجديد على أخطاء متوسطة في المسافة أقل من 5 مليمترات عبر 0.4 متر، بينما فشل الشعاع التقليدي بعد 0.25 متر وأظهر أخطاء تزيد عن 80 مليمترًا.

التعامل مع حدود الكاميرات والكواشف في العالم الواقعي

نظرًا لأن الشعاع الجديد يعيد تشكيل نفسه على طول المسار بدلًا من أن يخفف في كل مكان، فإنه يساعد على العمل ضمن النطاق الديناميكي المحدود للكواشف الحقيقية. عند نفس القدرة الابتدائية، تزداد سطوع البتلة المركزية للشعاع متعدد المكونات بلطف مع المسافة، فلا تشبع الأجسام القريبة الكاميرا بينما تعطي الأجسام البعيدة إشارة قابلة للكشف. أظهرت الاختبارات التي قارنت ثلاث طرق — الشعاع الجديد، شعاع تقليدي ذي مكونين، وتصميم متقدم آخر يعدّل البنية الزاوية — أن الطريقة الجديدة وحدها حافظت على نمط البتلات مرئيًا وقابلًا للقياس عبر جميع المسافات المختبرة في ماء شديد التشتت دون التسبب في تشبع المجال القريب أو اختفاء الإشارة في المجال البعيد.

ماذا يعني هذا لاستشعار تحت الماء في المستقبل

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن المؤلفين وجدوا طريقة «لإعادة تدوير» الضوء الذي كان سيهدر عادة في أطراف الشعاع ونقله إلى الجزء الذي يحمل المعلومات المفيدة عن المسافة. بدلًا من مجرد زيادة طاقة الليزر، يعيدون تشكيل توزيع الضوء على طول المسار بحيث تبقى الإشارة المركزية قوية عبر مدى أوسع من المسافات، حتى في المياه الغائمة. قد يساعد هذا المفهوم مستقبلًا المركبات تحت المائية، وأدوات الفحص، والأجهزة العلمية على قياس المسافات بمزيد من الاعتمادية، وقد يُكيّف ليعمل في بيئات ضبابية أخرى مثل الضباب أو الغبار في الهواء، وكل ذلك دون الحاجة إلى أجهزة أكثر قوة أو أكثر حساسية.

الاستشهاد: Wang, Y., Duan, Y., Zeng, R. et al. Attenuation-resilient underwater optical ranging using a spatially petal-like structured beam with tailorable longitudinal intensity. Commun Phys 9, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02515-9

الكلمات المفتاحية: ليدار تحت الماء, ضوء مهيكل, قياس المدى البصري, مياه عكرة, شعاع بيسل