В Массачусетском технологическом институте (МТИ) создали акустическую систему навигации, работающую без батареи. Система под названием Underwater Backscatter Localization (UBL) отражает звуковые сигналы из окружающей среды. В МТИ рассчитывают, что UBL поможет исследовать глубины океана и будет полезна учёным-климатологам и ВМС.
Практически во всём мире для работы навигаторов используется технология GPS. Радиосигналы, передаваемые через спутник, применяются в судоходстве, навигации, таргетированной рекламе и многом другом. Под водой радиосигналы работают хуже, поэтому подводная связь часто построена на акустике. Звуковые волны распространяются под водой быстрее и дальше, чем по воздуху, что делает их эффективным способом передачи данных.
У акустических систем есть и свой недостаток. Навигаторы, использующие звук, относительно быстро разряжаются. Это затрудняет точное отслеживание объектов или животных в течение длительного периода времени: замена батареи становится непростой задачей, когда устройство прикреплено к мигрирующему киту.
Исследователи МТИ решили разработать навигатор без батареи. Для этого они использовали пьезоэлектрические материалы, которые генерируют электрический заряд в ответ на механическое воздействие, например, на вибрирующие звуковые волны. Затем пьезоэлектрические датчики могут использовать этот заряд, чтобы отразить звуковые волны обратно в окружающую среду. Приёмник преобразует эту последовательность отражений в последовательность единиц и нулей. Полученный двоичный код может нести информацию о температуре или солености океана.
Чтобы с помощью кода получить информацию о местоположении объекта, учёные использовали метод псевдослучайной перестройки рабочей 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.
Сейчас команда МТИ работает над улучшением технологии UBL, решая такие проблемы, как конфликт между низким битрейтом, необходимым для определения местоположения на мелководье, и высоким битрейтом, необходимым для отслеживания движущихся объектов. Технологию протестировали в реке Чарльз в Массачусетсе. Испытания подтвердили правильность концепции в сложных условиях мелководья: UBL оценил расстояние между передатчиком и узлом обратного рассеяния на различных расстояниях почти до полуметра.
Теперь в МТИ планируют протестировать систему в Океанографическом институте Вудс-Хоул. Учёные надеются, что UBL поможет разжечь бум в освоении океана.
«Карты поверхности Луны качественнее, чем карты дна океана. Почему мы не можем отправить беспилотные подводные аппараты на миссию по исследованию океана? Ответ: мы их потеряем», — заявляет один из авторов технологии Реза Гаффаривардаваг.
Помимо этого, в МТИ рассчитывают, что когда-нибудь UBL сможет помочь автономным транспортным средствам ориентироваться под водой, не тратя энергию аккумулятора. Эта технология также позволит подводным роботам работать более точно и предоставить информацию о воздействиях изменения климата на океан.
