GPS取决于无线电波,在包括海水的液体中迅速分解。研究人员依赖于声学信令,跟踪平底点对象。但生成和发送声音的设备通常需要需要定期更改的电池。

无电池水下后向散射定位(UBL)系统。这张照片显示的是无电池传感器封装在聚合物中,然后将其浸入河里。(图片:Reza Ghaffarivardavagh)

研究人员已经建立了一个无电池定位系统,称为水下后向散射定位(UBL)。UBL不是发射自己的声音信号,而是反射周围环境的调制信号,以净零能量提供定位信息。研究小组使用了压电材料,这种材料能根据机械应力产生电荷,比如被振动的声波击中。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。接收器将反射序列(称为后向散射)转换成1(声波反射)和0(声波未反射)的模式。生成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,同样的技术也可以提供位置信息。一个观测单元可以发射声波,然后计算声波从压电传感器反射到返回观测单元所需要的时间。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,这种后向散射的时间安排很复杂,因为海洋可能是一个回声室。

声波不仅仅行直接在观察单元和传感器之间行进。他们也在表面和海床之间,在不同时间返回设备。思考的会计在浅水中是一个更大的挑战。海底和表面之间的短距离意味着混杂的反弹信号更强大。

研究人员通过跳频解决了反射问题。该观测单元不是以单一频率发送声波信号,而是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,因此反射的声波以不同的相位返回到观测单元。通过结合时间和相位信息,观测器可以精确定位到跟踪装置的距离。

在海面和海床之间的回声泛滥的地方,科察队必须减缓信息的流动。它们降低了比特率,实质上是延长了观察单元发出的每个信号之间的等待时间。这使得每个比特的回声在可能干扰下一个比特之前减弱。在模拟深水时,2000比特/秒的比特率就足够了,而在浅水时,研究人员必须将比特/秒的比特率降低到100比特/秒,才能从跟踪器获得清晰的信号反射。但是缓慢的比特率并不能解决所有问题。为了追踪移动的物体,研究人员实际上不得不提高比特率。1000比特/秒对于精确定位一个模拟物体以30厘米/秒的速度在深水中移动来说太慢了。以每秒10000比特的速度,他们能够在深水中追踪到这个物体。

概念证明在浅水环境中进行了测试。UBL估计在多达近半米的各个距离处的发射器和反向散射节点之间的距离。

UBL可以有一天可以帮助自动车辆在水下发现,而无需花费电池供电。该技术还可以帮助海底机器人更精确地工作,并提供有关海洋中气候变化影响的信息。

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科技简报》杂志

这篇文章首次出现在2021年4月的技术简介杂志。

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