一种声源驱动的水下导航系统

GPS不是防水的。导航系统依靠无线电波，无线电波在包括海水在内的液体中迅速分解。为了跟踪水下物体，如无人机或鲸鱼，研究人员依靠声音信号。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。我们可以没有它们吗？

麻省理工学院的研究人员认为是这样。他们建造了一种名为水下后向散射定位(UBL)的无电池定位系统。UBL不是发出自己的声学信号，而是反射来自其环境的调制信号。这为研究人员提供了净零能量的定位信息。虽然这项技术仍在开发中，但UBL有朝一日可能会成为海洋保护者、气候科学家和美国海军的关键工具。

本周，媒体实验室信号动力学小组的成员在计算机器协会的网络热点研讨会上发表了一篇论文，对这些进展进行了描述。研究科学家Reza Ghaffarivardavagh与合著者Sayed Saad Afzal、Osvy Rodriguez和Fadel Adib共同领导了这篇论文，他们领导着该小组，是Doherty海洋利用主席，也是麻省理工学院媒体实验室和麻省理工学院电气工程和计算机科学系的副教授。

几乎不可能逃脱GPS对现代生活的掌控。这项技术依赖于卫星传输的无线电信号，被用于航运、导航、定向广告等。自20世纪70年代和80年代问世以来，GPS改变了世界。但这并没有改变海洋。如果你不得不躲避GPS，你最好的选择就是在水下。

由于无线电波在水中移动时会迅速恶化，因此海底通信通常依赖于声学信号。声波在水下的传播速度和距离比在空气中更快、更远，这使它们成为一种有效的数据发送方式。但这也有一个缺点。

“声音是非常耗电的，”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。”这使得很难长时间精确跟踪物体或动物-当电池连接到迁徙的鲸鱼身上时，更换电池并不是一项简单的任务。因此，研究小组寻求一种无电池的声音使用方式。

阿迪布的研究小组转向了一种他们以前用于低功率声学信号的独特资源：压电材料。这些材料在机械应力的作用下会产生自己的电荷，就像受到振动声波的撞击一样。然后，压电传感器可以利用这种电荷选择性地将一些声波反射回它们的环境中。接收器将该反射序列(称为后向散射)转换为1(对于反射的声波)和0(对于未反射的声波)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。观测单元可以发出声波，然后对声波从压电传感器反射并返回观测单元所需的时间进行计时。所经过的时间可以用来计算观测者与压电传感器之间的距离。但在实践中，计算这种后向散射的时间是复杂的，因为海洋可能是一个回音室。

声波不仅仅在观测装置和传感器之间直接传播。它们还在水面和海床之间倾斜，在不同的时间返回单位。“你开始遇到所有这些反思，”阿迪布说。“这使得计算位置变得复杂。”在浅水中考虑反射是一个更大的挑战-海床和海面之间的短距离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。观测单元不是以单一频率发送声信号，而是在一定频率范围内发送一系列信号。每个频率都有不同的波长，因此反射的声波在不同的相位返回到观测单元。通过组合有关定时和相位的信息，观察者可以精确定位到跟踪装置的距离。跳频在研究人员的深水模拟中是成功的，但他们需要一个额外的保障措施来切断浅水的混响噪音。

在海面和海床之间回声猖獗的地方，研究人员不得不放慢信息流的速度。他们降低了比特率，实质上是在观察单元发出的每个信号之间等待更长的时间。这使得每个比特的回声在潜在地干扰下一个比特之前减弱。虽然2000比特/秒的比特率在深水模拟中已经足够，但研究人员不得不在浅水中将其降至100比特/秒，才能从跟踪器获得清晰的信号反射。但缓慢的比特率并不能解决所有问题。

为了跟踪移动的物体，研究人员实际上必须提高比特率。1000比特/秒太慢了，无法精确定位以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这个物体时，它已经从它的位置移动了，”阿夫扎尔解释说。以10000比特/秒的速度，他们能够在深水中跟踪该物体。

阿迪布的团队正在努力改进UBL技术，部分是通过解决诸如浅水所需的低比特率与跟踪运动所需的高比特率之间的冲突等挑战。他们正在查尔斯河通过测试来解决问题。“我们在去年冬天做了大部分实验，”罗德里格斯说。这包括河上结冰的几天。“这不是很愉快。”

撇开条件不谈，这些测试在具有挑战性的浅水环境中提供了概念验证。UBL估计发射机和后向散射节点之间的距离不同，最高可达半米。该研究小组正在努力扩大UBL在该领域的射程，他们希望与他们在科德角的伍德霍尔海洋研究所的合作者一起测试该系统。

他们希望UBL能帮助推动海洋探索的繁荣。Ghaffarivardavagh指出，科学家绘制的月球表面地图比海底地图更好。“为什么我们不能派出无人水下航行器去执行探索海洋的任务呢？答案是：我们会失去他们，“他说。

UBL有朝一日可以帮助自动驾驶车辆留在水下，而不会花费宝贵的电池电量。这项技术还可以帮助水下机器人更精确地工作，并提供有关海洋气候变化影响的信息。“申请太多了，”阿迪布说。“我们希望从规模上了解海洋。这是一个长远的愿景，但这是我们正在努力的方向，也是我们感到兴奋的地方。“