Так считают исследователи Массачусетского технологического института. Они создали безбатарейную систему определения местоположения, получившую название Underwater Backscatter Localization (UBL).
Вместо того, чтобы испускать собственные акустические сигналы, UBL отражает модулированные сигналы из окружающей среды. Это дает исследователям информацию о местоположении при нулевой энергии. Хотя технология все еще развивается, UBL когда-нибудь может стать ключевым инструментом для специалистов по охране окружающей среды, климатологов и исследователей.S. военно-морской.
Эти достижения описаны в документе, представленном на этой неделе на семинаре Ассоциации вычислительной техники «Горячие темы в сетях» членами группы Signal Kinetics Media Lab. Научный сотрудник Реза Гаффаривардаваг руководил работой вместе с соавторами Сайедом Саадом Афзалем, Осви Родригесом и Фаделем Адибом, который возглавляет группу и является председателем Доэрти по использованию океана, а также доцентом в MIT Media Lab и MIT.
Кафедра электротехники и информатики.
«Жадный до власти»
Практически невозможно избежать понимания GPS в современной жизни. Технология, основанная на спутниковых радиосигналах, используется в судоходстве, навигации, таргетированной рекламе и т. Д. С момента своего появления в 1970-х и 80-х годах GPS изменил мир.
Но это не изменило океан. Если бы вам пришлось прятаться от GPS, лучше всего было бы под водой.
Поскольку радиоволны быстро портятся по мере прохождения через воду, подводная связь часто зависит от акустических сигналов.
Звуковые волны распространяются под водой быстрее и дальше, чем по воздуху, что делает их эффективным способом передачи данных. Но есть недостаток.
«Звук требует энергии», – говорит Адиб. Для устройств слежения, которые издают акустические сигналы, "их батареи могут разряжаться очень быстро."Это затрудняет точное отслеживание объектов или животных в течение длительного периода времени – замена батареи – непростая задача, когда она прикреплена к мигрирующему киту. Итак, команда искала способ использования звука без батареи.
Хорошие колебания
Группа Адиба обратилась к уникальному ресурсу, который они ранее использовали для маломощной акустической сигнализации: пьезоэлектрическим материалам. Эти материалы генерируют собственный электрический заряд в ответ на механическое воздействие, например, на вибрирующие звуковые волны. Затем пьезоэлектрические датчики могут использовать этот заряд для выборочного отражения некоторых звуковых волн обратно в окружающую среду.
Приемник преобразует эту последовательность отражений, называемую обратным рассеянием, в последовательность единиц (для отраженных звуковых волн) и нулей (для не отраженных звуковых волн). Полученный двоичный код может нести информацию о температуре или солености океана.
В принципе, та же технология может предоставлять информацию о местоположении. Блок наблюдения может излучать звуковую волну, а затем измерять, сколько времени требуется этой звуковой волне, чтобы отразиться от пьезоэлектрического датчика и вернуться в блок наблюдения.
Истекшее время можно использовать для расчета расстояния между наблюдателем и пьезоэлектрическим датчиком. Но на практике синхронизировать такое обратное рассеяние сложно, потому что океан может быть эхокамерой.
Звуковые волны не проходят напрямую между блоком наблюдения и датчиком.
Они также курсируют между поверхностью и дном, возвращаясь к блоку в разное время. «Вы начинаете сталкиваться со всеми этими размышлениями», – говорит Адиб. "Это усложняет вычисление местоположения.«Учет отражений является еще более сложной задачей на мелководье – небольшое расстояние между морским дном и поверхностью означает, что мешающие сигналы отскока сильнее.
Исследователи решили проблему отражения с помощью "скачкообразной перестройки частоты"."Вместо того, чтобы посылать акустические сигналы на одной частоте, устройство наблюдения отправляет последовательность сигналов в диапазоне частот. Каждая частота имеет разную длину волны, поэтому отраженные звуковые волны возвращаются к устройству наблюдения в разных фазах. Комбинируя информацию о времени и фазе, наблюдатель может точно определить расстояние до устройства слежения.
Скачкообразная перестройка частоты была успешной в моделировании глубоководных исследователей, но им потребовалась дополнительная защита, чтобы преодолеть реверберирующий шум мелководья.
Там, где между поверхностью и дном распространяется эхо, исследователям приходилось замедлять поток информации.
Они снизили битрейт, существенно увеличив время ожидания между каждым сигналом, отправленным блоком наблюдения. Это позволило утихнуть эхо каждого бита, прежде чем потенциально помешать следующему биту.
В то время как битрейт в 2000 бит в секунду был достаточен для моделирования глубокой воды, исследователям пришлось снизить его до 100 бит в секунду на мелководье, чтобы получить четкое отражение сигнала от трекера. Но медленный битрейт не все решил.
Чтобы отслеживать движущиеся объекты, исследователям фактически пришлось повысить битрейт. Одна тысяча бит в секунду была слишком медленной, чтобы точно определить смоделированный объект, движущийся по глубокой воде со скоростью 30 сантиметров в секунду. «К тому времени, когда вы получите достаточно информации для определения местоположения объекта, он уже сдвинется со своего места», – объясняет Афзал. Со скоростью 10 000 бит в секунду они смогли отследить объект на большой глубине.
Эффективное исследование
Команда Адиба работает над улучшением технологии UBL, отчасти путем решения таких проблем, как конфликт между низким битрейтом, необходимым на мелководье, и высоким битрейтом, необходимым для отслеживания движения. Они решают проблемы с помощью тестов в реке Чарльз. «Мы провели большую часть экспериментов прошлой зимой», – говорит Родригес.
Это включало несколько дней со льдом на реке. "Это было не очень приятно."
Помимо условий, испытания подтвердили правильность концепции в сложных условиях мелководья.
UBL оценил расстояние между передатчиком и узлом обратного рассеяния на различных расстояниях почти до полуметра. Команда работает над увеличением диапазона UBL в полевых условиях, и они надеются протестировать систему со своими сотрудниками в Океанографическом институте Вуд-Хоул на Кейп-Коде.
Они надеются, что UBL поможет разжечь бум в освоении океана. Гаффаривардаваг отмечает, что у ученых есть лучшие карты поверхности Луны, чем дна океана. "Почему мы не можем отправить беспилотные подводные аппараты на миссию по исследованию океана??
Ответ: мы их потеряем », – говорит он.
UBL однажды сможет помочь автономным транспортным средствам оставаться под водой, не тратя драгоценную энергию аккумулятора. Эта технология также может помочь подводным роботам работать более точно и предоставить информацию о последствиях изменения климата в океане. «Существует так много приложений, – говорит Адиб. "Мы надеемся понять океан в масштабе.
Это долгосрочное видение, но это то, над чем мы работаем и что нас волнует."
Эта работа была частично поддержана Управлением военно-морских исследований.