MIT研製首個無電池水下定位系統！未來深海不再神秘

2020-11-03 智東西

智東西（公眾號：zhidxcom）

編 | 林卓瑋

智東西11月3日消息，據外媒TechXplore報導，近日，麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，簡稱「MIT」）的研究團隊建立了一個無電池的水下定位系統，該系統採用「水下反向散射定位」技術（Underwater Backscattering Localication, 簡稱「UBL」），利用聲波對移動目標進行精準定位。

由於缺乏合適的定位系統，人類一直無法深入探索廣袤的海洋。而UBL系統突破了水下定位難題，為未來的海洋探索、環保工作和海軍研究打開了無限可能性。

一、海洋世界——GPS的盲區，聲波的天下

不管是在軍用還是民用領域，GPS都是毋庸置疑的王者。儘管陸、空通用，但它並不適用於海洋，用於GPS定位的無線電波在海水等液體環境中會迅速衰弱。

相較之下，聲波在液體中的傳播速度高於空氣傳播速度，在傳送數據時效率很高。

因此，在海洋研究中，科學家往往會選擇聲波定位。

不過，聲波定位也有一個巨大的缺點，那便是耗電量巨大，需要頻繁更換電池。在用時較長的海洋監測任務中，給不斷遷移的目標頻頻更換電池無疑是個巨大的難題。

二、MIT團隊巧用壓電材料解決耗電難題

本周，在國際計算機協會網絡熱點話題研討會（the Association for Computing Machinery’s Hot Topics in Network workshop）上，麻省理工學院媒體實驗室研究員Reza Ghaffarivardavagh領銜發布了一篇題為《水下反向散射定位：未來的全球無電池水下定位系統（Underwater Backscatter Localization: Toward a Battery-Free Underwater GPS）》的論文，文章介紹了UBL系統，同時創造性地解決了水下聲波定位存在的耗電問題。

《水下反向散射定位：未來的全球無電池水下定位系統（Underwater Backscatter Localization: Toward a Battery-Free Underwater GPS）》論文信息

其實，UBL系統並不會主動發射聲波，它僅僅反射周邊環境的調製信號。

定位時，地面觀測站的研究員會向海洋發射聲波，UBL的壓電感應器接收到聲波後，會將周邊環境的調製信號反射回去，研究員根據發收聲波之間的空隔時間，便能測算出觀測點和UBL之間的距離。

那麼，這個過程是如何做到毫不費電的呢？

MIT研究團隊妙用了壓電材料。

這種材料在機械壓力之下會釋放電荷，壓電感應器會利用這些電荷，選擇性地反射部分聲波。接收器會將收到的反射序列轉化成1（已反射聲波）和0（未反射聲波）組成的二進位代碼。由此產生的二進位代碼可以攜帶有關海洋溫度或鹽度的信息。

三、「跳頻」、降頻雙管齊下，解決回聲幹擾問題

聲波的反射過程並非一帆風順。海洋是個巨大的回聲室，地面觀測站發出的聲波信號可能遇上各種障礙物後反射彈回，在淺海區域時，還會受到來自海床的幹擾。

為了解決回聲幹擾問題，MIT的研究人員提出了「跳頻」的方法。觀測點不是以單一頻率發送聲學信號，而是在不同頻率上發送一系列信號。由於頻率波長不同，聲波發射回觀測點的時間也會有所差異。

結合時間和頻段信息，觀測者可以有效地定位UBL系統的位置。「跳頻」在深海模擬實驗中成效顯著，但是在淺海區域時表現不佳。

研究人員為此不得不減緩信息流動速度，通過降低比特率延長每次信號發送的間隔時間。這樣一來，每比特回聲消失之後才會收到下一比特信息，成功減少了幹擾。

然而，這時矛盾出現了。為了追蹤快速移動的物體，研究人員必須提高比特率。1000比特每秒的速率根本不足以追蹤移動速度30釐米每秒的模擬物，正如團隊成員Afzal所說，「等到我們收到定位信息，該物體早已不在原來的位置了。」只有提高到10000比特每秒，他們才有可能在深海追蹤快速移動物體。

淺海海底環境複雜

四、概念驗證成功：未來的水下GPS系統

為了淺海低比特率和追蹤高比特率間的矛盾，MIT研究團隊去年冬天一直在波士頓的查爾斯河做模擬實驗。

這一系列實驗成功驗證了UBL概念模型的有效性，目前UBL系統和觀測點發射器之間的最大有效定位距離已經達到半米，並且研究小組還在努力擴大UBL的射程。

MIT研究團隊已和科德角（Cape Cod）的伍德霍爾海洋學研究所（Wood Hole Oceanographic Institution）達成合作，希望能對該系統進行測試。

研究團隊表示，他們希望UBL可以推動海洋勘探的繁榮發展。

結語：未來深海將不再神秘

一直以來，由於缺乏強大的定位系統，人類對於海洋的探索十分有限，探索器一旦深入海洋，便可能失去蹤跡。有了UBL系統，研究人員就可能保證深海環境下探索器不失聯，從而執行更多深海勘探任務，提高水下機器人的工作準確性，並為全球變暖提供更多有效信息。

我們有理由相信，未來的深海將不再神秘。

《水下反向散射定位：未來的全球無電池水下定位系統》論文連結：http://www.mit.edu/~fadel/papers/UBL-paper.pdf

文章來源：TechXplore

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