לא מציץ, לא נפגע – חוקרים בטכניון פיתחו ‘פריסקופ וירטואלי’

כולנו מכירים מהקולנוע את קצה הפריסקופ המציץ מן המים ומסגיר את מיקומה של הצוללת • “פריסקופ וירטואלי” שפותח בטכניון מאפשר לראשונה תצפית תת-מימית לגמרי על הנעשה מעל פני הים * הפריסקופ ייחשף במסגרת ליל המדענים בטכניון ביום חמישי הקרוב

מאת ארין ביבה, כתבת “Tested” *

במרוצת השנים התחוללו שינויים מסוימים בתכן הפיזי ובמכניקה הפנימית של הפריסקופ, אולם עניין אחד נשאר כשהיה: כדי לראות מה מתרחש מעל פני הים, אפילו הפריסקופ המודרני המתקדם ביותר חייב להגיח מן המים. וכשהפריסקופ משמש כלי מלחמה שמטרתו לחמוק מאוניות אויב, ברור שהִתבַּלטוּת הזו אינה מהלך חכם. זו הסיבה שכבר יותר מעשר שנים מנסים מדענים ומהנדסים לתכנן פריסקופ וירטואלי – מכשיר שיוכל לראות מה קורה מחוץ למים מבלי שייאלץ לעלות מעל פני הים. קבוצת חוקרים בטכניון רשמה כעת התקדמות מרשימה בעניין זה.

פריסקופים: היסטוריה מקוצרת

הפריסקופ הראשון, על פי המידע המצוי בידי הצי האמריקאי, תוכנן בשנת 1854 על ידי כימאי צרפתי בשם אֶדְמֶה איפוליט מרי-דייבי. היה זה פשוט גליל ארוך, שבכל אחד מקצותיו קוּבְּעה מראה בזווית של 45 מעלות. בעשורים שלאחר מכן נעשו כמה נסיונות לשפר את המכשיר, ואחת הגירסאות היתה גליל שבתוכו נקבעו שמונה מנסרות.

הפריסקופ המודרני, הזכור לנו מהקולנוע, היה גירסה משופרת של דגמים אלה. הגירסה החדשה, שנרשמה כפטנט ב-1911 על ידי ד”ר פרדריק קולמורגן, החליפה את סדרת העדשות (או המנסרות) בצמד טלסקופים. מבנה זה ביטל כליל את הצורך בקביעה של עדשות לאורך הגליל ושל מראות בקצותיו, ואיפשר לבנותו באורכים שונים ולהקטין את הפתח המגיח מן המים. קולמורגן ייסד חברה שפיתחה ושכללה את הטלסקופ, וחברה זו – קולמורגן – פועלת עד היום.

התכן המקורי של קולמורגן עבר כמה שיפורים במרוצת השנים – תוספת של ראיית לילה, זיהוי תבניות כוכבים, הגדלה אופטית ואנטנות לתקשורת לווינית – אבל המבנה הכללי נותר כמעט ללא שינוי. רק בשנות השישים פיתח הצי האמריקאי את פריסקופ טיפוס 18, שצויד במצלמות טלוויזיה שהעבירו את התמונות לכל רחבי הצוללת וגם תיעדו אותן.
לפני כעשור החליף הצי האמריקאי את הפריסקופים בצוללות התקיפה “וירג’יניה” בתרנים פוטוניים, שהם זרועות טלסקופיות שבראשן מותקנות מצלמות דיגיטליות ומצלמות אינפרא-אדום. מאחר שאין במכשירים אלה מראות ולא טלסקופים, אין צורך למקם תחתם חדרי בקרה. לפיכך הרחיק הצי את המי”ק (מרכז ידיעות הקרב) מדופנות הצוללת והוריד אותו לסיפון נמוך יותר, שם יש הרבה יותר מקום.

פריסקופים בעתיד
לתרנים פוטוניים יתרונות רבים, ועיקרם בעובדה שהם משיטים את הצוללת אל העידן הדיגיטלי. עם זאת, גם הם מאלצים את המשתמש “להציץ” מעל לפני המים, ולכן אינם חמקנים אמיתיים.

יואב שכנר, פרופסור בפקולטה להנדסת חשמל בטכניון, עובד על פיתוחו של פריסקופ טוב יותר. את השנים האחרונות הוא הקדיש להתמודדות עם הבעיות העיקריות הקשורות בפיתוחו של פריסקופ וירטואלי שיוכל לתעד מתוך המים את הפעילות מעל פני הים.

המכשול העיקרי בדרך לבנייתו של פריסקופ תת-ימי הוא השתברות האור במפגש בין המים לאוויר. תופעה זו מוכרת לכל מי שצלל אי פעם בבריכה והביט למעלה, או הכניס כפית לכוס מים: כאשר קרני האור חודרות למים, הן נשברות, ופירוש הדבר שהעצמים שמחוץ למים (או בתוך המים, בדוגמת הכפית) נראים מעוותים. ככל שפני המים גליים יותר כך מתעקמות קרני האור בכיוונים שונים, וכתוצאה מכך מתעוותים יותר העצמים שבחוץ.

כדי לקבל תמונה ברורה מנקודת מבט תת-מימית עלינו לתקן את העיוות שנוצר במדיום (תווך) אוויר-מים. אחת הדרכים לעשות זאת היא למדוד את הגלים ולהבין כיצד משפיעה תנועת המים בכל רגע נתון על התמונה המתקבלת. אתגר זה נראה סבוך מכדי שאפשר יהיה לממשו, אבל באסטרונומיה כבר מבוצע תיקון כזה מזה שנים רבות. “הצפייה בחלל מבעד לטלסקופ קרקעי עוברת באטמוספירה,” מסביר שכנר את ההשראה לפתרון החלוצי שלו, “ולכן על האסטרונומים למדוד את העיוותים שגורמת האטמוספרה לקרני האור ולתקנם. לשם כך הם משתמשים בכוכב מנחה, כלומר עצם שמיימי שצורתו ידועה, או יוצרים עצם וירטואלי כזה על ידי הקרנת לייזר לעבר האטמוספירה העליונה, ואז מודדים את העיוותים המתרחשים בה.”

לרוע המזל, בלב ים אין עצמים רבים שיכולים לשמש כוכב מנחה, מלבד אחד: השמש! לפיכך תכנן שכנר מערכת צילום הנעזרת בשמש (או בירח, בשעת לילה) כנקודת ייחוס קבועה המאפשרת לבטל את העיוות בתמונות. כך זה עובד: חצי משדה הראייה של המצלמה מכוסה במערך חורים – פיסת מתכת שבה נוקבו חורים במרחק 1.8 ס”מ זה מזה. מתחת למערך החורים מותקן מפזר-אור חצי-שקוף, המאפשר לנקודות האור הבוקעות מהחורים לנחות על משטח וכך לגלות למשתמש באיזה כיוון הן נעות בעת חדירתן למים.

“אם המים אינם שקטים לגמרי, הקרניים נשברות ומתעוותות באופן שונה בכל חור, והמרווחים בין הנקודות המוקרנות על המסך יהיו בלתי-אחידים משום שהגלים יוצרים הפרעות. הנקודות אינן מתמקמות במיקומן הצפוי, והתנהגות סוררת זו היא עבורנו מקור מידע חשוב מאוד. באמצעות צילום המסך ומדידת תנועת הנקודות, ביכולתנו למדוד את העיוות.”
החצי השני של שדה הראייה של המצלמה אינו מכוסה, אלא פשוט מופנה אל היעד (השמש או עצם אחר) ומצלם תמונה מעורפלת. הסיבה לכך שהמצלמה חצויה היא שמִן ההכרח לצלם את שתי התמונות בעת ובעונה אחת כדי “למפות” נכונה את העיוות שיוצרים המים. השמש היא נקודת ייחוס סטטית יעילה במיוחד במקרה שהעצם המבוקש נמצא בתנועה. ברגע שהתמונה מצולמת היא מנותחת על ידי אלגוריתם ייעודי המשווה בין שתי התמונות, מחשב את העיוות ומבטל אותו.

ובכן, איך נראות התמונות המצולמות על ידי הפריסקופ החדשני הזה, ‘סטלה מאריס’ שמו? “הן לא מושלמות, אבל איכותן הולכת ומשתפרת,” אומר שכנר. “עד כה השגנו ירידה משמעותית בעיוות, גם אם לא ביטלנו אותו כליל. אנו מנסים לעשות משהו שלא נעשה בעבר. למיטב ידיעתנו, המבוססת על הספרות המקצועית, איש מעולם לא הציג פריסקופ וירטואלי. אנשים דיברו על זה, אבל אנחנו הצלחנו להציג לראשונה מערכת בסיסית וגולמית הפועלת בהצלחה. אלה כאמור התוצאות הראשוניות.”

בכוונת שכנר ושניים מהסטודנטים שלו, מרינה אלתרמן ויוחאי סבירסקי, לפתח גירסה ישימה-מסחרית של המערכת. בנוסף לשיפור הרזולוציה של התמונות ובהירותן מתכנן שכנר לצמצם את גודל המערכת (המערכת הנוכחית היא קופסה גדולה). “יש לנו עוד שפנים בכובע. המערכת הנוכחית ראשונית מאוד, גדולה ומגושמת, אך טובה כפיילוט. עלינו לדעת את זווית השמש יחסית למערכת, ולשם כך אנחנו משתמשים במצפן גולמי ובפלס בסיסי. יהיה נחמד אם נצליח להכניס למערכת חיישן אלקטרוני שיספק לנו אוריינטציה מדויקת יותר של המערכת. בכוונתנו גם לשפר את הרזולוציה באמצעות צמצום המרחק בין החורים, אם כי יש כאן מגבלה מסוימת: אם המרחק בין החורים קצר מדי, קשה לשייך את נקודות האור לחורים הנכונים.”
אף שמדובר במערכת בסיסית, שכנר מספר שהוא כבר קיבל פניות מגורמים המעוניינים להטמיע אותה. הוא אומר שהמוצר הסופי עשוי להועיל לא רק לצוללות, אלא גם לצוללנים המבקשים לדעת את האוריינטציה שלהם במים. הטכנולוגיה החדשה עשויה לסייע גם למדענים החוקרים חיות החותכות את המים בתכיפות – למשל לוויתנים ודולפינים המזנקים מתוך הים – בניסיון להבין כיצד הן נעות בין שני המדיומים ללא הפרעה. לפיתוחו של מוצר מסחרי כזה יידרשו, מכל מקום, כמה שנים נוספות.

* הכתבה מבוססת על מאמר שפורסם באתר המדעי Tested ב-2 בספטמבר 2014