由声音驱动的水下导航系统

GPS不防水。导航系统依赖于无线电波，无线电波在包括海水在内的液体中迅速分解。为了追踪无人机或鲸鱼等海底物体，研究人员依靠声学信号。但是产生和发送声音的设备通常需要电池——体积庞大、寿命短的电池，需要定期更换。我们可以没有他们吗？

麻省理工学院的研究人员是这样认为的。他们建立了一个无电池精确定位系统，称为水下后向散射定位 (UBL)。UBL 不是发射自己的声学信号，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。尽管这项技术仍在发展中，但 UBL 有朝一日可能成为海洋保护主义者、气候科学家和美国海军的关键工具。

媒体实验室信号动力学小组的成员本周在计算机协会的网络热点主题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 共同领导了这篇论文，他们是该小组的负责人，并且是海洋利用的 Doherty 主席以及麻省理工学院媒体实验室和麻省理工学院的副教授电气工程与计算机科学系。

“耗电”

几乎不可能摆脱 GPS 对现代生活的掌控。该技术依赖于卫星传输的无线电信号，用于航运、导航、定向广告等。自 1970 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。如果你不得不躲避 GPS，你最好的选择是在水下。

由于无线电波在水中移动时会迅速衰减，因此海底通信通常依赖声波信号。与通过空气相比，声波在水下传播得更快、更远，这使它们成为发送数据的有效方式。但是有一个缺点。

“声音很耗电，”阿迪布说。对于产生声音信号的跟踪设备，“它们的电池会很快耗尽。” 这使得长时间精确跟踪物体或动物变得很困难——当电池连接到迁徙的鲸鱼上时，更换电池并不是一件简单的事情。因此，该团队寻求一种无需电池的方式来使用声音。

良好的振动

Adib 的小组转向了他们以前用于低功率声学信号的独特资源：压电材料。这些材料会产生自己的电荷以响应机械应力，例如受到振动声波的撞击。然后压电传感器可以使用该电荷选择性地将一些声波反射回其环境中。接收器将该反射序列（称为反向散射）转换为 1（用于反射的声波）和 0（用于未反射的声波）的模式。生成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。观察单元可以发射声波，然后记录声波从压电传感器反射并返回观察单元所需的时间。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，这种反向散射的时间安排是复杂的，因为海洋可能是一个回声室。

声波不只是直接在观察单元和传感器之间传播。它们还在地表和海床之间徘徊，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——海床和海面之间的距离很短，这意味着混杂的回弹信号更强。

研究人员通过“跳频”克服了反射问题。观察单元不是以单一频率发送声学信号，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，因此反射的声波以不同的相位返回观察单元。通过结合有关时间和相位的信息，观察者可以精确定位到跟踪设备的距离。跳频在研究人员的深水模拟中是成功的，但他们需要额外的保护措施来消除浅水的回响噪音。

在地表和海床之间回声猖獗的地方，研究人员不得不放慢信息的流动速度。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可能干扰下一个比特之前就消失了。虽然在深水模拟中 2,000 比特/秒的比特率就足够了，但研究人员必须在浅水中将其调低至 100 比特/秒才能从跟踪器获得清晰的信号反射。但是缓慢的比特率并不能解决所有问题。

为了跟踪移动的物体，研究人员实际上不得不提高比特率。1000 比特/秒太慢了，无法确定模拟物体以 30 厘米/秒的速度在深水中移动。“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 解释道。以 10,000 比特/秒的速度，他们能够通过深水追踪物体。

高效探索

Adib 的团队正在努力改进 UBL 技术，部分是通过解决诸如浅水中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。他们正在通过查尔斯河的测试来解决问题。“我们去年冬天做了大部分实验，”罗德里格斯说。这包括河上结冰的日子。“这不是很愉快。”

除了条件之外，这些测试在具有挑战性的浅水环境中提供了概念验证。UBL 估计了发射器和反向散射节点之间的距离，不同距离可达近半米。该团队正在努力增加 UBL 在该领域的范围，他们希望与位于科德角的伍兹霍尔海洋研究所的合作者一起测试该系统。

他们希望 UBL 可以帮助推动海洋勘探的繁荣。Ghaffarivardavagh 指出，科学家们拥有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探索海洋呢？答案是：我们将失去他们，”他说。

UBL 有朝一日可以帮助自动驾驶汽车在水下被发现，而无需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，并提供有关海洋气候变化影响的信息。“有很多应用程序，”阿迪布说。“我们希望大规模地了解海洋。这是一个长期的愿景，但这就是我们正在努力的方向，也是我们感到兴奋的地方。”

这项工作得到了海军研究办公室的部分支持。