智东西（公众号：zhidxcom）
编 | 林卓玮

智东西11月3日消息，据外媒TechXplore报道，近日，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，简称“MIT”）的研究团队建立了一个无电池的水下定位系统，该系统采用“水下反向散射定位”技术（Underwater Backscattering Localication, 简称“UBL”），利用声波对移动目标进行精准定位。

由于缺乏合适的定位系统，人类一直无法深入探索广袤的海洋。而UBL系统突破了水下定位难题，为未来的海洋探索、环保工作和海军研究打开了无限可能性。

一、海洋世界——GPS的盲区，声波的天下

不管是在军用还是民用领域，GPS都是毋庸置疑的王者。尽管陆、空通用，但它并不适用于海洋，用于GPS定位的无线电波在海水等液体环境中会迅速衰弱。

相较之下，声波在液体中的传播速度高于空气传播速度，在传送数据时效率很高。

因此，在海洋研究中，科学家往往会选择声波定位。

不过，声波定位也有一个巨大的缺点，那便是耗电量巨大，需要频繁更换电池。在用时较长的海洋监测任务中，给不断迁移的目标频频更换电池无疑是个巨大的难题。

二、MIT团队巧用压电材料解决耗电难题

本周，在国际计算机协会网络热点话题研讨会（the Association for Computing Machinery’s Hot Topics in Network workshop）上，麻省理工学院媒体实验室研究员Reza Ghaffarivardavagh领衔发布了一篇题为《水下反向散射定位：未来的全球无电池水下定位系统（Underwater Backscatter Localization: Toward a Battery-Free Underwater GPS）》的论文，文章介绍了UBL系统，同时创造性地解决了水下声波定位存在的耗电问题。

▲《水下反向散射定位：未来的全球无电池水下定位系统（Underwater Backscatter Localization: Toward a Battery-Free Underwater GPS）》论文信息

其实，UBL系统并不会主动发射声波，它仅仅反射周边环境的调制信号。

定位时，地面观测站的研究员会向海洋发射声波，UBL的压电感应器接收到声波后，会将周边环境的调制信号反射回去，研究员根据发收声波之间的空隔时间，便能测算出观测点和UBL之间的距离。

那么，这个过程是如何做到毫不费电的呢？

MIT研究团队妙用了压电材料。

这种材料在机械压力之下会释放电荷，压电感应器会利用这些电荷，选择性地反射部分声波。接收器会将收到的反射序列转化成1（已反射声波）和0（未反射声波）组成的二进制代码。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。

三、“跳频”、降频双管齐下，解决回声干扰问题

声波的反射过程并非一帆风顺。海洋是个巨大的回声室，地面观测站发出的声波信号可能遇上各种障碍物后反射弹回，在浅海区域时，还会受到来自海床的干扰。

为了解决回声干扰问题，MIT的研究人员提出了“跳频”的方法。观测点不是以单一频率发送声学信号，而是在不同频率上发送一系列信号。由于频率波长不同，声波发射回观测点的时间也会有所差异。

结合时间和频段信息，观测者可以有效地定位UBL系统的位置。“跳频”在深海模拟实验中成效显著，但是在浅海区域时表现不佳。

研究人员为此不得不减缓信息流动速度，通过降低比特率延长每次信号发送的间隔时间。这样一来，每比特回声消失之后才会收到下一比特信息，成功减少了干扰。

然而，这时矛盾出现了。为了追踪快速移动的物体，研究人员必须提高比特率。1000比特每秒的速率根本不足以追踪移动速度30厘米每秒的模拟物，正如团队成员Afzal所说，“等到我们收到定位信息，该物体早已不在原来的位置了。”只有提高到10000比特每秒，他们才有可能在深海追踪快速移动物体。

▲浅海海底环境复杂

四、概念验证成功：未来的水下GPS系统

为了浅海低比特率和追踪高比特率间的矛盾，MIT研究团队去年冬天一直在波士顿的查尔斯河做模拟实验。

这一系列实验成功验证了UBL概念模型的有效性，目前UBL系统和观测点发射器之间的最大有效定位距离已经达到半米，并且研究小组还在努力扩大UBL的射程。

MIT研究团队已和科德角（Cape Cod）的伍德霍尔海洋学研究所（Wood Hole Oceanographic Institution）达成合作，希望能对该系统进行测试。

研究团队表示，他们希望UBL可以推动海洋勘探的繁荣发展。

结语：未来深海将不再神秘

一直以来，由于缺乏强大的定位系统，人类对于海洋的探索十分有限，探索器一旦深入海洋，便可能失去踪迹。有了UBL系统，研究人员就可能保证深海环境下探索器不失联，从而执行更多深海勘探任务，提高水下机器人的工作准确性，并为全球变暖提供更多有效信息。

我们有理由相信，未来的深海将不再神秘。

《水下反向散射定位：未来的全球无电池水下定位系统》论文链接：http://www.mit.edu/~fadel/papers/UBL-paper.pdf

文章来源：TechXplore

https://zhidx.com/p/242641.html