GPS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。为了追踪无人驾驶飞机或鲸鱼等海底物体,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定期更换电池。

无电池水下后向散射定位(UBL)系统。这张照片显示了在浸入河流之前,封装在聚合物中的无电池传感器。(图片:Reza Ghaffarivardavah)

研究人员已经建立了一个称为水下后向散射定位(UBL)的无电池精确定位系统。UBL不发射自己的声音信号,而是反射来自其环境的调制信号,以净零能量提供定位信息。研究小组使用压电材料,压电材料在受到机械应力(如振动声波的撞击)时产生自身电荷。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环境中。接收器将反射序列(称为后向散射)转换为1s(反射声波)和0s(未反射声波)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,这种后向散射的计时是复杂的,因为海洋可以是一个回声室。

声波不只是直接在观察装置和传感器之间传播。它们也在水面和海床之间盘旋,在不同的时间返回该单元。在浅水区,考虑反射是一个更大的挑战。海床和地表之间的距离较短,意味着混杂的回弹信号较强。

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到观测单元。通过结合有关定时和相位的信息,观察者可以精确定位到跟踪设备的距离。

在海面和海床之间回音猖獗的地方,研究小组不得不放慢信息流的速度。他们降低了比特率,基本上在观测单元发出的每个信号之间等待的时间更长。这使得每一位的回声在可能干扰下一位之前消失。在模拟深水时,2000比特/秒的比特率就足够了,而研究人员必须在浅水中将其调低到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/秒的速度太慢,无法精确定位以30厘米/秒速度在深水中移动的模拟物体。以每秒10000比特的速度,他们能够在深水中跟踪目标。

在浅水环境中对概念验证进行了测试。UBL估计了发射器和后向散射节点之间的距离,在不同的距离下,最长可达半米。

UBL有朝一日可以帮助人们在水下找到自动驾驶车辆,而不需要消耗电池电量。这项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影响的信息。

有关更多信息,请联系Abby Abazorius,网址为此电子邮件地址受到垃圾邮件的保护。您需要启用JavaScript才能查看它。; 617-253-2709.


金宝搏官网科技简报杂志

这篇文章首次出现在2021年4月的《科学》杂志上金宝搏官网杂志

阅读本期的更多文章在这里.

阅读档案中的更多文章在这里.