GPS无效，无线电太弱！研究人员开发水下反向散射定位系统，深海导航或不再困难

为了精确制导，一些大国建立了自己的卫星导航系统，美国有GPS，中国有北斗，俄罗斯有GLONASS。但是，卫星导航系统只能在陆地和海平面发挥作用，对于海底导航没有多达作用。

同时，由于无线电波的特性，其对水的穿透能力很差，在海底难以用无线电波导航。为了追踪像鲸鱼这样的深海生物，研究人员通常需要依靠声音信号。但是产生和发送声音的设备通常需要电池，这些电池体积大、寿命短、需要定期，使用较为麻烦，对于长期追踪十分不利。

麻省理工学院的研究人员近日建立了一个被称为水下反向散射定位(Underwater Backscatter Localization，UBL)的无电池精确定位系统。UBL不发出声音信号，而是反射来自环境的调制信号，这可以提供零能耗的定位信息。

测试中的UBL(图源：MIT)

这项研究由麻省理工学院媒体实验室和麻省理工学院电气工程和计算机科学系的副教授阿迪比(Adib)领导。该团队使用了一种用于低功率声学信号的独特资源：压电材料。

压电材料是指受到压力作用时会在两端面间出现电荷的晶体材料，就像被振动的声波撞击一样。压电传感器可以利用这些电荷选择性地将一些声波反射回环境中。接收器将这种被称为反向散射的反射序列转换成1(反射声波)和0(未反射声波)的模式。由此产生的二进制代码可以携带海洋温度或盐度的信息。

原则上，同样的技术可以用于提供位置信息。一个观察单元可以发出声波，然后计算声波从压电传感器反射并返回到观察单元需要多长时间。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。

但实际上，确定这种反向散射的时间很复杂，因为海洋可以是一个回波室，声波不仅仅直接在观察单元和传感器之间传播，也在水面和海底之间来回穿梭，并在不同的时间点返回观察单元。这一问题在浅海尤为突出，深度越浅，信号的反弹就越混杂。

研究人员用“跳频”解决了这一难题，即在一个频率范围内发送一系列信号。每个频率都有不同的波长，所以反射的声波以不同的相位返回到观察单元。通过结合关于时间和相位的信息，观察人员可以精确定位到跟踪设备的距离。

经测试，跳频方案在深水模拟中有效，但是研究人员表示，在浅海中的应用还需要考虑信号混杂的问题。

在海洋中信号复杂的区域，必须减少传播的信息量。为此，研究人员降低了比特率，即延长观察单元发出的每个信号之间的间隔时间。这种间隔可以确保每个比特的回声在干扰下一个比特之前消失。

为了追踪移动的物体，研究人员实际上必须提高比特率。比如，为了精确定位以30厘米/秒速度在深水中移动的物体，速度必须提高到每秒10000比特的速度。

可以看出，UBL在信号复杂区域需要低比特率，而为了追踪高速物体又要高比特率。研究人员目前也在着手解决这一矛盾。

虽然这项技术仍在发展中，但UBL有朝一日可能会成为海底探索的重要技术手段。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201102110028.htm

https://amazingresearchs.com/mit-underwater-navigation-system-powered-by-sound/