MIT开发一个无需依赖电池的精确水下导航系统

GPS是不防水的。该导航系统依赖于无线电波,而无线电波在液体中会迅速分解,包括海水。为了追踪无人机或鲸鱼等海底物体,研究人员依靠声学信号。但产生和发送声音的设备通常需要电池–笨重、寿命短的电池,需要定期更换。我们可以不用它们吗?

麻省理工学院的研究人员已经建立了一个无电池的精确水下导航系统,被称为水下反向散射定位(UBL)。UBL不是发射自己的声音信号,而是反射来自环境的调制信号。这就为研究人员提供了定位信息,而且是零能耗。尽管该技术仍在发展中,但UBL有朝一日会成为海洋保护主义者、气候科学家和美国海军的重要工具。

MIT开发一个无需依赖电池的精确水下导航系统

本周,媒体实验室信号动力学小组的成员在计算机械协会的网络热点研讨会上发表的一篇论文中描述了这些进展。研究科学家Reza Ghaffarivardavagh与共同作者Sayed Saad Afzal、Osvy Rodriguez和Fadel Adib合作完成这篇论文,他是海洋利用的Doherty主席,同时也是麻省理工学院媒体实验室和麻省理工学院电子工程和计算机科学系的副教授。

“耗电大户”

几乎无法摆脱GPS对现代生活的控制。这项技术依靠卫星发射的无线电信号,被用于航运、导航、目标广告等方面。自20世纪70年代和80年代推出以来,GPS已经改变了世界。但它并没有改变海洋。如果你要躲避GPS,你最好的选择就是在水下。

因为无线电波在水中移动时很快就会失真,所以海底通信通常依靠声波信号来代替。声波在水下比在空气中传播得更快、更远使得它们成为发送数据的有效方式。但也有一个缺点。

“声音很耗电,”阿迪布说。对于产生声音信号的跟踪设备来说,”它们的电池会很快耗尽”。这使得它很难长时间精确地跟踪物体或动物。因此,该团队寻求一种无需电池的方式声音驱动的水下导航系统。新方法可能会引发无电池海洋探索时代,其应用范围从海洋保护到水产养殖。

良好的振动

阿迪布的小组转向了他们之前用于低功率声学信号传输的独特资源:压电材料。这些材料会在机械应力的作用下产生自己的电荷,比如被振动的声波击中。然后,压电传感器可以利用该电荷选择性地将一些声波反射回环境中。接收器将这一序列的反射(称为反向散射)转化为1s(反射的声波)和0s(未反射的声波)的模式。由此产生的二进制代码可以携带有关海洋温度或盐度的信息。

原则上,同样的技术可以提供位置信息。观测装置可以发出声波,然后计算声波从压电传感器反射到返回观测装置所需的时间。经过的时间可以用来计算观察者和压电传感器之间的距离。但在实践中,对这种反向散射进行计时是很复杂的,因为海洋可以是一个回声室。

声波并不只是直接在观测装置和传感器之间传播。它们还在海面和海床之间穿梭,在不同的时间回到装置上。”你开始遇到所有这些反射,”阿迪布说。”这使得计算位置变得复杂。” 在浅水中,核算反射是一个更大的挑战–海床和水面之间的距离很短,这意味着混杂的反弹信号更强。

研究人员用 “跳频 “克服了反射问题。观测装置不是以单一频率发送声学信号,而是在一系列频率上发送一系列信号。每个频率都有不同的波长,因此反射的声波以不同的相位返回观测单元。通过结合时间和相位的信息,观察者可以精确地确定与跟踪装置的距离。在研究人员的深水模拟中,跳频是成功的,但他们需要一个额外的保障措施来切断浅水的混响噪声。

在海面和海床之间回声肆虐的地方,研究人员不得不减缓信息流。他们降低了比特率,基本上是在观测装置发出的每个信号之间等待更长时间。这使得每一个比特的回声在可能干扰下一个比特之前逐渐消失。在模拟深水区时,2000比特/秒的比特率就足够了,而在浅水区,研究人员不得不将比特率调低到100比特/秒,以获得跟踪器的清晰信号反射。但缓慢的比特率并不能解决一切问题。

为了追踪移动的物体,研究人员实际上不得不提高比特率。一千比特/秒的速度太慢了,无法准确定位一个以30厘米/秒的速度在深水中移动的模拟物体。”当你获得足够的信息来定位物体时,它已经从它的位置移动了,”Afzal解释说。在10000比特/秒的速度下,他们能够在深水中追踪物体。

高效探索

阿迪布的团队正在努力改进UBL技术,部分是通过解决浅水区所需的低比特率和跟踪运动所需的高比特率之间的冲突等挑战。

撇开条件不谈,这些测试提供了一个具有挑战性的浅水环境中的概念验证。UBL估计了发射器和反向散射节点之间的距离,在各种距离上的距离可达近半米。该团队正在努力增加UBL在现场的范围,他们希望与科德角伍德霍尔海洋研究所的合作者一起测试该系统。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

他们希望UBL能够帮助推动海洋探索的热潮。Ghaffarivardavagh指出,科学家们拥有比海底更好的月球表面地图。”为什么我们不能派出无人水下航行器执行探索海洋的任务?

UBL有朝一日可以帮助自主车辆在水下持续探索,而不需要消耗宝贵的电池电量。该技术还可以帮助海底机器人更精确地工作,并提供有关海洋中气候变化影响的信息。研究人员希望能够大规模地了解海洋。这是一个长期的愿景。

这项工作得到了海军研究办公室的部分支持。

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