免电池海洋探索：声音驱动的MIT水下导航系统

麻省理工学院的研究人员建立了一个无电池的精确定位系统，称为水下反向散射定位（UBL）。这张照片显示了将无电池传感器浸入查尔斯河之前被封装在聚合物中的情况。

新方法可能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。

GPS不防水。导航系统依靠无线电波，该无线电波在包括海水在内的液体中会迅速分解。为了追踪无人机或鲸鱼等海底物体，研究人员依靠声音信号。但是产生和发送声音的设备通常需要电池-体积大，寿命短的电池，需要定期更换。没有他们，我们可以做吗？

麻省理工学院的研究人员是这样认为的。他们建立了一种无需电池的精确定位系统，称为水下反向散射定位（UBL）。UBL不会发出自己的声音信号，而是会反射其环境中的调制信号。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重要工具。

Media Lab的Signal Kinetics小组成员本周在计算机协会网络热点话题研讨会上发表的一篇论文中描述了这些进步。研究科学家Reza Ghaffarivardavagh和共同作者Sayed Saad Afzal，Osvy Rodriguez和Fadel Adib共同领导了该论文，他是该小组的负责人，是海洋利用的Doherty主席，也是MIT媒体实验室和MIT的副教授。电机工程与计算机科学系。

“耗电”

逃脱GPS对现代生活的掌握几乎是不可能的。该技术依赖于卫星传输的无线电信号，可用于运输，导航，定向广告等。自1970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。如果您必须躲避GPS，那么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音信号。声波在水下传播的速度比通过空中传播的速度更快和更远，这使其成为一种高效的数据发送方式。但是有一个缺点。

“声音非常耗电，” Adib说。对于产生声音信号的跟踪设备，“它们的电池可能会很快耗尽。”这样一来，就很难长时间精确地追踪物体或动物-当将电池连接到正在迁移的鲸鱼上时，更换电池绝非易事。因此，该团队寻求一种无电池的声音使用方式。

良好的振动

Adib的小组转向了以前用于低功率声音信号传输的独特资源：压电材料。这些材料会响应机械应力而产生自己的电荷，例如被振动的声波压扁。压电传感器然后可以使用该电荷将某些声波选择性地反射回其环境中。接收器将该反射序列（称为反向散射）转换为1s（对于反射的声波）和0s（对于未反射的声波）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，相同的技术可以提供位置信息。观察单元可以发出声波，然后记下该声波从压电传感器反射回来并返回到观察单元所花费的时间。经过的时间可用于计算观察者与压电传感器之间的距离。但实际上，这种反向散射的时间安排很复杂，因为海洋可能是回声室。

声波不仅在观察单元和传感器之间直接传播。他们还关心地表和海床之间的位置，并在不同的时间返回单位。“您开始遇到所有这些思考，” Adib说。“这使得计算位置变得很复杂。”在浅水中考虑反射是一个更大的挑战-海床和地表之间的距离短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。观察单元不是在单个频率上发送声音信号，而是在一定频率范围内发送一系列信号。每个频率具有不同的波长，因此反射的声波会以不同的相位返回到观测单元。通过组合有关时序和相位的信息，观察者可以查明到跟踪设备的距离。跳频在研究人员的深水模拟中是成功的，但他们需要额外的防护措施来消除浅水的回响噪声。

在地表和海床之间回声猖ramp的地方，研究人员不得不减慢信息的传播速度。它们降低了比特率，实际上在观察单元发出的每个信号之间等待的时间更长。这使得每个位的回声在潜在地干扰下一个位之前就消失了。尽管在深水模拟中只有2,000位/秒的比特率，但研究人员不得不在浅水中将其降低到100位/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。

为了追踪运动物体，研究人员实际上不得不提高比特率。千位/秒的速度太慢，无法精确定位模拟对象以30厘米/秒的速度穿过深水。“当您获得足够的信息以定位该对象时，它已经从其位置移开了，” Afzal解释说。他们以10,000位/秒的速度，能够通过深水跟踪物体。

高效探索

Adib的小组正在努力改善UBL技术，部分方法是解决诸如浅水区所需的低比特率与跟踪运动所需的高比特率之间的冲突之类的挑战。他们正在通过查尔斯河（Charles River）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。其中包括几天在河上结冰。“那不是很愉快。”

除了条件之外，这些测试还提供了在充满挑战的浅水环境中的概念验证。UBL估计了发射机和反向散射节点之间各种距离（近半米）之间的距离。该小组正在努力扩大UBL在该领域的射程，他们希望与合作者在科德角（Cape Cod）的伍德霍尔海洋学研究所（Wood Hole Oceanographic Institution）合作，对该系统进行测试。

他们希望UBL可以帮助推动海洋勘探的蓬勃发展。加法里瓦达瓦（Ghaffarivardavagh）指出，科学家对月球表面的映射比对海床的映射更好。“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？答案是：我们将失去他们。”他说。

UBL有一天可以帮助自动驾驶汽车留在水下，而无需花费宝贵的电池电量。该技术还可以帮助海底机器人更精确地工作，并提供有关气候变化对海洋的影响的信息。“应用程序太多了，” Adib说。“我们希望全面了解海洋。这是一个长远的愿景，但这就是我们正在努力并且感到兴奋的地方。”

这项工作部分得到海军研究办公室的支持。