DNAシーケンサーからGPRを作成し、すべてを地下で見る方法

少し前に、マイクロ回路をリバースエンジニアリングしてDNAシーケンサー（DNAを読み取るためのデバイス）を構築する方法についての記事を公​​開しまし た。しかし、時間が経つにつれて、私がこれを行っている間（そして私は非常に長い間それをしました）、このシーケンサーは古くなり、新しいものが出てきて、新しいオックスフォードナノポアシーケンサーでのシーケンスのコストが私が目指していたコストよりも低いことが判明したため、私のプロジェクトは部分的に意味を失いました。プロジェクトは行き詰まりました。一方で、GPRのような分野に私の主な関心を移した出来事がありました。もっと正確に言えば、彼らは彼をそこに戻しました。



約10年前、私は地下にあるものを見ることができる装置、つまりジオラダーを使用した多くの研究に出くわしました。一週間、私は自分自身を引き裂くことができませんでした、私は大量のビデオ資料を見ました、私は研究者によって使用されたデバイスの名前を覚えています-LOZAGPR。以下はサクサイワマナ（ペルー）での研究の例であり、地下の陰窩、穴、深部にあるスラブが発見され、ボウル型の底がかつて埋められたと推測することもできます。





私が最初に思ったのは、「すごい！だからあなたは地下にたくさんの面白いものを見つけることができます。そして、他に方法はありません！」これがこのデバイスへの私の興味の始まりでした。数百万ルーブルの費用がかかることがすぐに明らかになりました。つまり、誰もがそれを買う余裕があるわけではありません。どうすればそのようなデバイスを自分で作ることができるのか考え始めました。



インターネット上の情報から、デバイスがどのように機能するかがわかりました。送信機と受信機があります。送信機は、数十キロボルト未満の非常に強力なナノ秒の電磁パルスを地球の奥深くに送ります。



媒体の誘電率が変化する場所、つまり土壌の種類や水分含有量が変化する場所、または異物や空気の空洞がある場所では、この信号の一部が反射されます。信号の別の部分はさらに深くなり、次のレイヤーまたはオブジェクトから反射されます。







さまざまな情報源が、いわゆる抵抗（抵抗）アンテナがGPRで使用されていることを強調しています。これらは「リンギング」のない特殊なアンテナであり、共振しません。従来のアンテナ（図1）は、それ自体の動作周波数で共振します（強制的に振動し始めます）。彼女自身の振動は、彼女がこの時に来る有用な信号を定性的に知覚することを可能にしません。抵抗アンテナによって送信されるパルスは、キャリア周波数がないという点で従来の無線パルスとは異なります。非対称の短いパルスが得られます（図2）。パルスがより高い誘電率を持つ媒体から反射されると、それは反転されます（図3）。私はそのようなアンテナの作り方を理解し始めました。



デバイス自体も投資を約束しました。「信号振幅を測定するための非常に高速で高精度を可能にする高価な超高速ADCがおそらく存在するため、このデバイスは非常に高価です。これはすでに数千ドルです。強力なプロセッサは言うまでもありません」と私は思いました。



1ナノ秒の持続時間の強力な10キロボルトのパルスが互いに続き、繰り返しバウンドすることを想像してみてください。主なタスクは、レシーバーに届くすべての情報をすばやくデジタル化し（アナログ信号から「理解可能な」電子機器、さらに処理できる記号（0と1）に変換）、分析、記録することです。そして、これらは連続ストリームで1秒あたり0と1のギガバイトです。

「私は最初に、このデバイスをコンパレータに実装しています。薄手のペニーと複数の値下げ」-私は決めました。コンパレータは非常に基本的な電子回路であり、その唯一の目的は2つの入力アナログ信号を比較することです。 2つの入力電圧のどちらが大きいかに応じて、出力に0または1を出力します。つまり、コンパレータは、バイナリ波形を記録できる1ビットのアナログ-デジタルコンバータ（ADC）です。ただし、単一のグラウンドリターンパルスの全振幅を再構築するには、さまざまなコンパレータしきい値を使用したこのような比較が何百も必要です。私の超予算ソリューションは、スピードと効率を誇ることができませんでした。



一般的に、私はウラジミール・ズボフに会い、DNAシーケンサーの真剣なリバースエンジニアリングを開始するまで、デバイスの実装へのアプローチをゆっくりと考えました。これについては、後でhabr.comに記事を公​​開しました 。この間ずっと、興味を持ってGPRの調査を続けていましたが、すべてを行うのに十分な時間がありませんでした。一連のランダムなイベントが私をまったく異なる側から同じポイントに導いたときの私の驚きを想像してみてください。



3、4年前に私はTroitskの近くに住むようになりました。ちょうどその時、私はシーケンサーについての記事を公​​開しまし た、私はそこに座って着信メッセージを整理していました。ジョナサン・ロスバーグ自身 私にスタートアップを提供しましたが、何かがうまくいかず、他にも多くの時間のかかる着信メッセージがありました-一般的に、私は出版の結果に完全に没頭していました。フィールド上の私たちの家からそう遠くないところに、マストに巨大なアンテナがありました（まあ、非常に健康的なものです）、私たちはしばしばクアドロコプターでそこに行きました。私はそれらに興味を持ち、「大きなアンテナ、Troitsk」をグーグルで検索し始め、興味をそそる名前「School Space Communication Center」のサイトrk3b.ruに出くわし、 そこで電話をかけて、ラジオアマチュア自身を訪ねるように頼みました。



それが私がこのセンターを率いた最も名誉ある人物であるアレクサンダーニコラエビッチザイツェフに会った方法です。彼は何年もの間、IZMIRANで地球の磁気圏を研究しており、同時にTroitskの科学エリート全体を知っていたことが判明しました。私たちは、とりわけ、GPRへの関心について話しました。次に、Alexander Nikolaevichが、フィールドのアンテナについて教えてくれました。彼らは純粋にアマチュアであることが判明しました：有名なラジオアマチュアV.N. Komarovは、同時に成功した起業家であり、HF通信愛好家のチームを編成し、彼自身のお金でスーパーセンターとそのようなアンテナを作成し、彼らは放送で最高になりました。これは、HF世界選手権の大会で1位になったことで確認されています。



そしてしばらくして、A。Zaitsevは、LOZAGPRに携わっているVNIISMICompany LLCの人々を紹介してくれました（驚きです！:)。私はそれを率いたP.モロゾフとA.バークットに会いました。彼らは喜んで私を受け入れてくれました、そして私たちは多くの方法で仲良くしました。基本構成で25,000ドルの価格で販売されている彼らのデバイスであるLOZAGPRがコンパレーターで動作すると彼らが言ったときの私の驚きを想像してみてください。そして彼らは、非常に長い間、アナログからデジタルへのコンバーター（ADC）でデバイスを作成することを夢見ていました。これにより、デバイスをすばやく動作させることができます。そして、その試みは異なっていましたが、成功を収めることはできませんでした。一般的に、彼らは開発への完全な関心を表明した。



その後、LOZAジオレーダーがどのように機能するかについての完全な情報を受け取りました。実際には、コンパレータといくつかのマイクロ回路しかありませんでしたが、その中で最も優れていたのは20年前のFPGAファミリで最も進んだものでした。そのデバイスに関するVNIISMIの主な不満が明らかになりました：私は指でボタンを押すのにうんざりしていました。結局のところ、コンパレータでの作業は次のとおりです。1回の測定（1点での測定）では、128パルスを連続して地面に送信する必要があります。これには、送信機によって異なりますが、数秒から2分かかります。つまり、デバイスは次の原則に従って動作します。ボタンを押し、立って待機し、デバイスをテープメジャーに沿ってさらに10 cm移動します（テープメジャーは実際に地面に広げられて10 cm刻みで移動します）。そのような仕事のスピードを想像できますか？ちなみに、コントロールユニットまたはコンピュータは、ワイヤで送信機に接続されています。したがって、撮影には最低2人が必要です。ジオレーダーを動かす人と、ワイヤーで彼を追いかけるオペレーターです。



また、さまざまなメーカーや開発者のシリアルデバイスやプロトタイプなど、いくつかの異なる地上貫通レーダーを研究する機会もありました。



たとえば、この大きな重い箱の重さは5キログラムほどです。内部には毎秒1800メガサンプルのADCがあり、各ボードは別々のケースにあり、別々のスクリーンを備えています。その結果、多くの余分な重量と大きな寸法があり、プロトタイプを原則として使用できませんでした。彼は働きませんでした。



別のプロトタイプの方が成功しましたが、問題はセットアップに非常に長い時間がかかることでした。時々それはオンにならず、クラッシュしました。一般に、GPRの問題の1つは、非常に広い動的範囲で動作する必要があることです。地下に送られるインパルスは、通過するときに非常に急速に減衰します。このパルスの最初の応答と地面からの応答の両方を確認するには、非常に強い信号と非常に弱い信号の両方を受信して​​区別できるアンプとADCが必要です。この振幅はダイナミックレンジと呼ばれます。このプロトタイプでは、2チャンネルのアンプがこれに使用されました。1つのアンプチャンネルは強い信号で動作し、もう1つは弱い信号で動作しました。つまり、2つのデジタル化チャネルがありましたが、ちなみに、これらをまとめることはできませんでした。ゲインを調整することにより、デバイスはある程度の深さに調整することができ、その中で彼は何かを見ました。しかし、与えられたレベルより高くも低くもなく、あなたがそれを他のパラメータに再構成するまで彼は見ませんでした。さらに、プロトタイプは干渉に対して非常に高い感度を持っていました。







それで、私は自分の高速で強力なデバイスを設計し始めました。作業は膨大でしたが、良いニュースがありました。作業の一部はすでに完了していました。基礎として、私はDNAシーケンサー用に開発した（ta-dam！.. :)電子機器を使用しました。



GPRとソフトウェアパッケージの作業には約1年かかりました。完全な自動化、高速、あらゆるデバイスからGPRを制御する機能を実現しただけでなく、実際には、モジュール上のシステム（Zturn）→Zynqクリスタル上のシステム→FPGA + CPU + Linuxなど、あらゆるハイテクプロジェクトのユニバーサルコアを作成することができました。 + Django + WebSockets + Javascript ...ただし、陰謀は残しておきます。読者を飽きさせないために、技術的な部分は別の記事に載せています。



私が開発したデバイスは、送信機と受信機の2つのデバイスで構成され、それぞれに独自のアンテナがあります。現在、デバイスの寸法は22.2 x 14.6 x 5.5 cmです。次のバッチでは、寸法をさらに縮小する予定です。浅い深さでの研究には、標準のメーターアンテナが使用されます。アンテナの長さとパワーにもよりますが、好ましい土壌での音の深さは数百メートルに達することがあります。 GPRを移動するには、ハンドキャリア、車輪付きのプラットフォーム、受信機と送信機用のシートを備えた折りたたみ式/柔軟なディープセンシングアンテナを使用できます。特別なタスクは、他の移動手段によって作成できます（たとえば、インフレータブル-水中オブジェクトを研究するため）



ジオラダーを備えたプラットフォームを車両に取り付けることができ、ジオラダーは最大40 km / hの速度で自動測量することができます（私たちがテストしたものはおそらくそれ以上です）。デバイスの動きは、ホイールセンサーとGPSを使用して記録されます。すべてのプロセスが自動化されており、デバイスは操作が簡単で、追加のオペレーターを必要とせず、1人で撮影を処理できます。優先事項：電力、コンパクトさ、軽さ、パッシブ冷却、さまざまな移動手段とさまざまな電力のアンテナで完了する可能性。これらの2つの小さなボックスは、あらゆるパワーのGPRコンプレックスの心臓部になることができます。さらに退屈な仕様：



•周波数範囲（MHz）1-300

• 1000 ( 36 / 1 )

• : ,

• 5

• 1

• : 1GSPS (1)

• 16

•

• 120

• ( ) 16000

•

• 64

• : , ( ), GPS,

• wifi . web , PC

• 4 , (+12 )

•

• 222 146 55 mm ( 2)

• 100Mhz (1,5), 200MHz (1). 10MHz (10), 25Mhz (6), 50Mhz (3) ( , ). – . , / . , , 500 .







ジオレーダーはすぐに動作する準備ができています。「オン」ボタンを押すと、ジオレーダーはすべての調査と内部メモリへの記録を開始します。オペレーターを接続しなくても、完全に自律的に動作できます。



このデバイスはWi-Fiを配布し、Webブラウザーを介して、任意のコンピューター、タブレット、電話から接続できます。デバイスの制御、設定の変更、現在のトラックの表示を可能にするプログラムが表示されます。インターフェイスの一番上の行には、バッテリー電圧、プロセッサーの温度、時間、動作時間、GPSデータなど、現在何が起こっているかを理解できるようにするさまざまなステータスが含まれています。以下は、トリガー、オフセット、対数目盛、ズーム、操作モードを設定するためのタブとボタンです。



デバイスは、ボタンを押すか、たとえば0.3秒ごとに、または時間ごとに1つの測定を行うことができます。または、測定をホイールの操作と同期させることもできます。たとえば、ホイールの1/4回転ごとにトリガーされます。つまり、送信機がパルスを送信し、受信機がそれを受信して書き留めます。後者のモードは、たとえば、GPRを使用してプラットフォームをマシンにバインドし、移動速度に関係なく均一な測定を行うことができるため、非常に便利です。



最初の打ち上げは、モスクワ南西部で建設中のアスファルト道路でVNIISMIの代表者と一緒に行われました。これは私のデバイスのインストールがどのように見えたかです：できるだけ地面に近いプラットフォーム上の2つのアンテナ、白いボックスは送信機、黒いボックスは受信機です。



通信が地下のさまざまな場所にある場所が事前に選択されました。計画は、最初にLozaデバイスでそのようなポイントを決定し、次に私のデバイスで同じ場所を調べることでした。 VNIISMIがデバイスを調整している間、私は半回転して乗りました、そして私はすべてを見ました。これが私のデバイスからの最初の写真です。当時、そこに道路を建設していた作業員に近づき、調査結果をコミュニケーションマップで確認しました。すべてが一致し、深さ2mの直径200本のプラスチックパイプが実際にありました。成功しました。







下の写真は、建設中の道路の同じ映像の一部を示しています。右側にうごめくバーがあります。これはパルスオシログラムです。上部の小さなピークは送信機によって生成されたパルスであり、下のすべてはすべての方向から受信機に到達するものですが、ほとんどは地下からです。パルスオシログラムの横にある大きなカラー画像は、そのような列のセットです。つまり、各ピクセル列は1パルスであり、ここでのみ振幅がカラーに変換されます。カラー画像の上部にある赤いバーは地面の高さです。さらに、インパルスは地面に落ち、下には反射されてレシーバーに飛んだすべてのものが見えます。 2番目の赤いストライプのすぐ下にある小さな青赤の隆起は、アンテナパターンと点状のパイプオブジェクトとの交点です。つまり、デバイスの移動方向でパイプを横切る場所では、パイプはそのようなラジオ画像を提供し、ズームインすると2本のパイプが見える場所もあります。



また、ここでは、写真の最後まで下がる大きなぼやけたパラボラを見ることができます。これらは、さまざまなオブジェクト、この場合は近くに立っていた電力線からの空気チャネルに沿った反射です。私の意見では、これは私が知っている開発の解決策をまだ見つけていない大きな問題です。調査対象の環境外での反射に関する情報は明らかに不要であり、環境を分析してこの反射が地下からのものか空中からのものかを判断する必要があるため、注意をそらし、有用な信号の解釈を妨げます。したがって、空気中の反射を最小限に抑えるためにソフトウェアとハ​​ードウェアを使用することが計画されています。



この写真では、道路の建設中に埋められた小川です。水路は約2メートルの深さで見ることができます。このセクションの下には、大きなパラボラもありました。道路沿いの電柱からの反射です。



私の家の近くには、非常に興味深い地質のネズナイカ川があり、すべてが教科書のようです。古い川床、第四紀の堆積物、アルビウム、川のテラスがあります。そこでも、VNIISMIの人たちと一緒にテストし、さまざまなジオレーダーの作業を比較しました。ここでは、最後に古い川床が見えます。大きな緑色のパラボラは、金属製の支柱に隣接する村のフェンスを反映しています。

ご覧のように、そのような写真の解釈の原則にすでに精通している人だけが、これが川床であり、これはフェンスからの反射であるとすぐに判断します。したがって、データ出力の形式そのものが、GPRを簡単に使い始めることができる人々の輪を大幅に制限します。そして、ここで、私の意見では、非常に興味深いタスクがあります。このデータを、すべてのユーザーが理解できる画像に変換することです。このタスクは、人工知能（ニューラルネットワーク）を使用して実行できます。人工知能（ニューラルネットワーク）は、オブジェクトの実際の輪郭をマークし、指定し、その目的とプロパティを引き受けるようにトレーニングできます。体積構造は、読み取り不可能なデータの問題を解決するのにも役立ちますが、それについては後で詳しく説明します。



下の写真は非常に興味深いレリーフを示しています（2020年7月22日にカリンキノ村のイワノボ地域で撮影されました）：ある種の長方形の構造が見えます-おそらくそれは砂の層か、私たちの地域で普及しているロームや土壌よりも密度の低いものです。レイヤーの識別を完全に自動化するという考えがあります。上で定義したように、波は媒体の誘電率に変化がある場所から反射されます。この写真の1つまたは別の層でパルスの速度を測定し、環境の構成および/またはその水分含有量の程度を想定することができます。







夏の終わりに、私はなんとか5世紀のキャンプ/集落の場所に、Shilovsky地区のTerekhovの村の近くのRyazanの近くで考古学的遠征に行くことができました。そこでは、2つの川の合流点に、木が生い茂った丘があります-5世紀に定住があったという多くの証拠があります。私たちはジオレーダーを持ってそこを歩き始めました-最初の写真では、GPSトラックです。中央には木がとても密集していて、周囲を歩くことができ、それ以上の木は少なく、みんなとても密に歩いていました。線形貫通から3Dモデルを構築できるプログラムとして発表されたプログラムを使用する機会がありました。考古学者は私にそのような結果を期待していました-「私たちは何がどこに埋まっているのかをはっきりと構築して見るでしょう」。よく（密に）手入れされたエリアからそのような構造を作るのが最善です。最も密度の高いパスのある領域をプログラムにロードし、3Dモードに入りました-プログラムは上下に「引っ張る」ことができるカラーバーのフィールドを構築し、設定を変更しましたが、それ以上の可能性は見られませんでした-相談した後、プログラムは疑似のみを構築することがわかりました3D。







GPRが上から移動した場所であることがわかっている列がいくつかあり、この時点でGPRが垂直に下に配置されていることがわかっているとします。次のタスクは、不足している列を近似で完成させることです。これは、プログラムが実行したことです。しかし、彼女は2つの軸に沿ったグリッドでそれをやりました。この構築の結果として、さまざまなアーティファクトが発生します-十字形、水平線と垂直線から。 3D平面のスライスを取得すると、列のスライスからカラー画像が得られます。これは、信号の振幅に応じて、プログラムが単純に上下に拡大します。







実際の3D構築はやや複雑です。さまざまな深さで物理的に撮影されたポイントから特定の平面を識別し、平面を相互に遷移させてから、ユーザーインターフェイスを使用して、表示する必要のある個々の平面を選択できるようにする必要があります。



体積モデルの構築は、通常、別の非常に興味深いタスクです。今、私は、送信機を備えた1つのアンテナと、互いに間隔を置いて配置された受信機を備えた2つのアンテナ、つまり2つの受信機を使用するというアイデアを考えています。それは一種のフェーズドアレイアンテナになります。信号が移動するとき、より正確には、最初と2番目の受信機が受信した時間の差によって、この信号が反射された正確な場所を特定できます。したがって、1つのパルスを測定する1回の測定で、2D平面に画像をすぐに作成できます。従来のレーダーは、キャリア周波数、フーリエ変換、正弦および余弦プロットを使用します。この場合、いくつかの優れた数学が使用されます。1ナノ秒のパルスの反射に関するデータに基づいて、畳み込みを行い、このパルスがどこから来たのかをどのような確率で計算します。このアイデアは現在、ソフトウェアを作成する段階にあります。これにより、通過中に3D画像をシミュレートし、レイヤーでパルスの速度を測定できるようになります。これにより、メディアの構成と品質をすぐに推測できます。



GPRはどこで使用できますか？

地表下の最上層は「文化層」と呼ばれます。これは考古学であり、個々のオブジェクト、建物の土台が完全に見え、掘られても、一度ピットが見えるようになります。ですから、例えばサハラ砂漠に関連した非常に興味深い問題があります。サハラは拡大しており、多くの考古学者は都市や建物がその砂の下に埋もれていることに同意しています。エジプトの時代にはサバンナがあり、川が流れ、動物が住んでいました。 GPRはすべてを地面までスキャンし、そこにある建物や集落を見つけることができます。これは実際にこれを行うことができる唯一のデバイスです。



ちなみに、スキャン深度は、土壌の密度と種類、鉱化作用、水分含有量によって異なります。砂は、GPRが最も深く見える土壌です。 GPRに対して非常に透過性のある2番目のそのような媒体は氷です。したがって、GPRは水域の地下探査に使用できます。塩水では音の深さが浅くなり、淡水では深くなり、氷の中で最も深い音を出すことができます。



GPRの別のアプリケーションは、地下ユーティリティ、パイプ、通路、トンネルの検索です。道路建設の品質は非常に効果的に制御できます-アスファルトが均等に敷設されているかどうかにかかわらず、砂の基板が敷設された厚さ。建物の土台や壁の状態も確認できます。運転中の車道の状態を監視し、道路の損傷やカルスト空洞の形成に備えてタイムリーな対策を講じることができますが、これはまだ故障には至っていません。侵食は、建物や構造物の基礎の下で発生します。したがって、ノリルスクでの石油流出の理由は、石油貯蔵の基盤が損なわれたためでした。そのようなオブジェクトの定期的なチェックは、そのような災害をうまく防ぐのに役立ちます。







地質学。ジオレーダー調査中、川の境界、岩の層が配置されている石灰岩の露頭、キンバライトパイプ、モレーンがはっきりと見えます。間接的な指標により、地下水を決定することができます。そのため、水は浸透できない層にぶつかるまで浸透し、低地の層の境界に蓄積します。泥流や地滑りを予測して防止することも可能です。 GPRは、掘削を含む鉱物探査に役立ちます。



2020年12月、デバイスの基本バージョンのテストと認定に成功しました。地上貫通レーダーはGEORAと名付けられました。



最初の小さなバッチはリリースのために準備されています。目標は、実用化の幅広い経験を積み始め、この経験に基づいて、使いやすさと機能性を向上させる機会を特定することです。 2番目のタスクは、準備ができていないユーザーでもデータ分析を視覚的かつ便利にする次世代ソフトウェアを作成することです。



幅広いリリースには、プライベート用と商用用の2つのバージョンが計画されています。あらゆるタスクに合わせて機器やソフトウェアをカスタマイズすることができます。



世界的な目標は、ジオラダーをより巨大なものにし、歴史と考古学に興味のある人にとって手頃な価格にすることです。設計、建設、専門知識、下層土の研究の分野で働く個々の起業家が利用できます。この機器が広く採用されると、ユーザーコミュニティが形成されます。計画は、一元化された測定データベースを作成することです。必要に応じて、スキャンしたデータを誰でもサーバーに送信し、払い戻し可能または無料で共有できるようにします。さらに、データの配列が大きくなると、ニューラルネットワークをより効果的にトレーニングして、スキャン結果と一般の人が理解できる視覚化を解釈できるようになります。



現在、技術的な部分の詳細な説明を含む記事の2番目の部分は、公開の準備が整っています。興味があれば、今日はこれですべてです-書き込み、メール sokolov.labs@gmail.com。みなさん、ありがとうございました！