เทคโนโลยีโซนาร์ตรวจหาวัตถุใต้น้ำและเครื่องระบุตำแหน่ง GPS ผ่านดาวเทียม

เทคโนโลยีโซนาร์ หรือ Sound navigation and ranging การตรวจหาวัตถุใต้ผิดวน้ำโดยใช้คลื่นเสียงผ่านตัวกลางเป็นน้ำซึ่งมีคุณสมบัติที่ทำให้เสียงเดินทางได้ดีกว่าในอากาศ เมื่อคลื่นเสียงไปกระทบกับวัตถุจะสะท้อนกลับมายังเครื่องรับเพื่อทำการประมวลตำแหน่งที่ตั้ง ลักษณะและขนาดของวัตถุนั้น ๆ แม้จะเป็นหลักการทำงานที่ดูเหมือนจะไม่ซับซ้อนแต่กลับใช้เวลาในการพัฒนามายาวนานนับจากอดีต

การศึกษาเกี่ยวกับเสียงครั้งแรก ๆ ของโลกเริ่มต้นในช่วงปี 1490 โดยปรากฏอยู่ในบันทึกสิ่งประดิษฐ์ของเลโอนาร์โด ดา วินชี โดยเขาได้ทำการศึกษาการเดินทางของเสียงใต้น้ำ ต่อมาในปี 1822 นักฟิสิกส์ชาวสวิตเซอร์แลนด์ได้ทำการทดสอบการเดินทางของเสียงในทะเลสาบเจนีวา โดยแสดงให้เห็นว่าเสียงเดินทางในน้ำได้เร็วกว่าอากาศถึงประมาณ 4 เท่า โดยเขาสามารถแสดงให้เห็นการเดินทางของเสียงในน้ำระยะทาง 50 กิโลเมตร นับเป็นครั้งแรก ๆ ของโลกที่มีการจดบันทึกการทดลองส่งคลื่นเสียงใต้น้ำ

ก่อนหน้าสงครามโลกครั้งที่ 1 มีความพยายามในการพัฒนาเทคโนโลยีคลื่นเสียงใต้น้ำจากนักวิทยาศาสตร์มาเป็นระยะแต่ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 ภัยคุกคามจากเรือดำน้ำเยอรมันกลายเป็นปัญหาใหญ่และทำให้เกิดการก้าวกระโดดครั้งสำคัญของเทคโนโลยีโซนาร์ตรวจหาวัตถุใต้น้ำ 

โรเบิร์ต วิลเลียม บอยล์ นักฟิสิกส์ชาวแคนาดาและคณะกรรมการสิ่งประดิษฐ์และงานวิจัยอังกฤษได้ทำการพัฒนาโครงการต้นแบบเครื่อง ASDIC ตรวจหาเรือดำน้ำและทำการทดสอบในปี 1917 นับเป็นเครื่องตรวจจับวัตถุใต้น้ำสมัยใหม่เครื่องแรกของโลก หลังจากนั้นกองทัพเรืออังกฤษจึงนำเครื่อง ASDIC ไปติดตั้งบนกองเรือรบ ต่อมาในช่วงปี 1930 สหรัฐอเมริกาเริ่มมีการพัฒนาเครื่องตรวจจับวัตถุใต้น้ำของตัวเองและเริ่มมีการใช้คำว่าโซนาร์ SONAR อย่างเป็นทางการ รวมไปถึงการพัฒนาเครื่องโซนาร์สำหรับใช้งานในสงครามโลกครั้งที่ 2 ซึ่งมีประสิทธิภาพและความแม่นยำสูงมากขึ้น

ประเภทของเครื่องโซนาร์

1. โซนาร์แบบ Active Sonar ใช้การปล่อยคลื่นเสียงอะคูสติกลงไปในน้ำหากเสียงไปกระทบกับวัตถุใด ๆ ใต้ผิวน้ำจะเกิดการสะท้อนกลับมายังตัวแปลงสัญญาณโซนาร์ ระบบจะทำการคำนวณช่วงเวลาการปล่อยและรับสัญญาณที่สะท้อนกลับมาเพื่อระบุตำแหน่ง ทิศทางและระยะห่างของวัตถุ ปัจจุบันพัฒนาขึ้นจนสามารถระบุลักษณะรูปร่างของวัตถุได้เกือบครบสมบูรณ์

2. โซนาร์แบบ Passive Sonar ใช้การรับสัญญาณเสียงเพื่อระบุตำแหน่งและที่มาของเสียง เช่น สัตว์น้ำในทะเล ตำแหน่งของเรือดำน้ำข้าศึก เน้นการฟังและการระบุตำแหน่งด้วยการคำนวณช่วงเวลาที่เสียงเดินทางมาตกกระทบ ตัวอย่างเช่น การใช้งานด้านการทหาร เรือรบที่มีหน้าที่ปราบเรือดำน้ำจะปล่อยอุปกรณ์ Receiver เพื่อฟังเสียงใต้น้ำ ในขณะเดียวกันเรือดำน้ำต้องปล่อยเสียงดังจากกิจกรรมต่าง ๆ บนเรือให้น้อยที่สุด เสียงเครื่องยนต์เรือ ใบพัดเรือ แม้กระทั่งเสียงการเดินไปมาของลูกเรือดำน้ำ

สำหรับเทคนิคการปล่อยคลื่นเสียงโซนาร์สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทด้วยกันประกอบด้วย ทรานสดิวเซอร์ที่อาศัยการเกิดคลื่นแม่เหล็ก (Transducer magneto-striction) การปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดทำให้เกิดสนามแม่เหล็กและหลอดนิกเกิลยืดหดตัวตามสัญญาณไฟฟ้าและทำให้เกิดเสียง ทรานสดิวเซอร์ผลึกแร่ที่ผลิตกระแสไฟฟ้า (Transducer piezoelectric) เน้นการทำงานเพื่อใช้ฟังเสียงโดยใช้ผลึกแร่ติดกับแผ่นไดอะแฟรมเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าผลึกจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและเกิดเสียงขึ้น วิธีการนี้ไม่สามารถส่งคลื่นเสียงโซนาร์ออกไปได้

เครื่องระบุตำแหน่ง GPS ผ่านดาวเทียม

ปัจจุบันการระบุตำแหน่ง GPS ผ่านดาวเทียมได้รับความนิยมสูงสุด เนื่องจากมีความถูกต้องของตำแหน่งสูงโดยใช้การประมวลผลระยะห่างของดาวเทียมประมาณ 18-24 ดวง ที่โคจรรอบโลก ระบบ GPS สามารถทำงานได้ต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากต่อการเดินทางทุกรูปแบบ โดยเฉพาะในพื้นที่ห่างไกลที่ไม่สามารถหาจุดสังเกตหรือสถานที่ชัดเจน เช่น ทะเลทราย มหาสมุทร เทคโนโลยีการระบุตำแหน่ง GPS ถูกพัฒนาขึ้นโดยกองทัพสหรัฐอเมริกา ก่อนเริ่มมีการเปิดให้บริษัทเอกชนนำไปพัฒนาต่อยอดและจำหน่ายเป็นอุปกรณ์ GPS เชิงพาณิชย์

เนื่องจากดาวเทียมที่โคจรอยู่รอบโลกมีตำแหน่งที่แน่นอนระบบจึงใช้ตำแหน่งของดาวเทียมแต่ละดวง อ้างอิงกับตำแหน่งปัจจุบันบนโลกใช้การคำนวณแบบสามเหลี่ยมผสมกับการระบุตำแหน่งแบบละติจูดและลองจิจูด ระบบ GPS สามารถทำงานได้ต่อเนื่องตามเวลาจริงแม้ผู้ใช้งานระบบอยู่บนยานพาหนะที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว

ความแม่นยำของระบบ GPS มีความคลาดเคลื่อนน้อยโดยปัจจุบันสามารถระบุตำแหน่งแม่นยำในระดับ 1-3 เมตร ผู้ใช้งานระบบ GPS สามารถหาซื้ออุปกรณ์ระบุตำแหน่ง GPS ได้จากบริษัทเอกชนชั้นนำหลายแห่ง นอกจากนี้ระบบ GPS ยังได้ถูกพัฒนาไปใช้งานบนนาฬิกา ระบบนำทางบนรถยนต์ส่วนบุคคลหรืออุปกรณ์สมาร์ตโฟน ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกให้กับผู้ใช้งานจำนวนมากในปัจจุบัน

ข้อมูลจาก editions.covecollective.org, oceanservice.noaa.gov,  garmin.com 

ภาพจาก unsplash.com