麻省理工开发以声音为动力的水下GPS系统可开启海洋探索之路

麻省理工学院（MIT）的科学家们开发出了一种声学系统，它的作用就像一个水下GPS，但却不需要电池来操作。水下反向散射定位(UBL)系统通过反射调制的音频信号来产生二进制脉冲。GPS导航已经非常成功。除了帮助驾车者从A点到B点，这项技术还发现了令人困惑的各种应用，从战场到仓库。

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然而，GPS无法进入水下工作。这是因为水会阻碍和分散GPS所依赖的无线电波，使其失去作用。这也是为什么潜艇使用声纳而不是雷达来探测周围环境的原因。雷达波束在几码之内就会被吞噬，而声学信号在合适的条件下可以传播数千英里。

根据MIT科学家们的说法，使用声学来创建相当于全球定位系统的水下信号发生器的问题是，声学信号发生器非常耗电。这对于核潜艇来说可能并不重要，但对于那些依靠电池执行任务的小型设备，比如追踪动物，这可能是一个真正的问题。

为了帮助克服这个问题，MIT研究人员在海军研究办公室的支持下，转向了压电材料，这种材料在机械应力下产生电荷，包括受到声波的影响。对于UBL系统，该团队使用压电传感器选择性地将从环境中发出的声波反射回来作为反向散射，同时将声波本身作为动力源。然后，这些声波以二进制模式被接收器接收，1为反射声波，0为未反射声波。

这种二进制信号使得UBL系统能够携带信息，通过计时来确定声波从传感器上反射出来，然后返回观测装置所需的时间，从而进行位置固定。然而，该团队指出，水下环境极为复杂，声波会在海面和海底反弹。尤其是在浅水区，回弹信号比较强，这就更难了。

为了解决这个问题，该团队采用了“跳频”的方法，即以一种模式在一系列频率上发送信号，因此它们以不同的相位返回。将时序数据和相位数据结合起来，可以更精确地固定。在浅水区，信号的比特率被放慢，以使回波有时间消退，不干扰信号。

到目前为止，UBL系统已经通过了浅水区的概念验证测试，它估计的距离达到了近50厘米。MIT将与伍德霍尔海洋研究所合作，在开始实地测试之前，增加距离。最终的目标是一种导航技术，使自主水下航行器能够绘制详细的海底地图。

“为什么我们不能派出自主式水下航行器去执行探索海洋的任务？答案是。我们会失去它们。”团队负责人Reza Ghaffarivardavagh说。

有关该研究的论文在计算机械协会的网络热点研讨会上发表。

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