麻省理工学院媒体实验室研究人员将无线水下开发到空中通信

麻省理工学院媒体实验室研究人员设计了一个系统，允许水下和空气传感器直接共享数据。水下发射器将声纳信号引导到水面，导致与传输的1S和0S对应的微小振动。在表面上方，高度敏感的接收器读取这些微小的扰动并解码声纳信号。图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）

麻省理工学院研究人员已经迈出了通过无线通信解决长期挑战：水下和空中设备之间的直接数据传输。

如今，水下传感器不能与土地上的数据共享数据，因为都使用仅在各自的介质中工作的不同无线信号。通过空气前沿的无线电信号在水中非常迅速地死亡。水下装置发送的声学信号或声纳主要反射表面而不会突破。这导致各种应用的效率低下和其他问题，例如海洋探索和潜艇到平面通信。

在本周举办的一篇论文中，麻省理工学院媒体实验室研究人员设计了一种以新颖的方式解决这个问题的系统。水下发射器将声纳信号引导到水面，导致与传输的1S和0S对应的微小振动。在表面上方，高度敏感的接收器读取这些微小的扰动并解码声纳信号。

直到最近，从来没有一种方法可以在空气和水之间发送通信信号。如果水下潜艇在天空中的飞机下方通过，他们就无法互相沟通，而不会潜艇表面，危及其位置到对手。Fadel Adib和Francesco Tonolini的麻省理工学院媒体实验室已经开发了一种通过称为翻译声学-RF通信或Tarf的东西来连接这些看似消除介质的方法。使用来自水下的声波和空气中的雷达，可以通过在水面上产生微弱的涟漪来传播消息。

“试图用无线信号越过空水边界一直是障碍。我们的想法是将障碍本身转变为沟通的媒介，“媒体实验室助理教授Fadel Adib说，这是领导本研究。他与他的研究生Francesco Tonolini共同撰写论文。

Adib说，该系统称为“翻译声学-RF通信”（Tarf）仍处于早期阶段。但它代表了一个“里程碑”，他说，可以在水空中通信中开辟新能力。例如，使用系统，军事潜艇，不需要表面与飞机沟通，损害其位置。和监测海洋生命的水下无人机不需要不断从Deep PE中恢复面，以向研究人员发送数据。

另一个有前途的申请是对水下缺失的飞行的搜索。“声学传递信标可以在，说，一个平面的黑匣子，”Adib说。“如果它偶发每次发送信号，则可以使用该系统拾取该信号。”

解码振动

今天的技术解决方案对此无线通信问题遭受各种缺点。例如，浮标旨在挑选声纳波，处理数据和拍摄无线电信号到空中接收器。但这些可以消失并丢失。许多人也需要覆盖大面积，使其成为潜艇到曲面通信的不切实际。

Tarf包括一个水下声发射器，使用标准声学扬声器发送声纳信号。信号作为与不同数据位对应的不同频率的压力波。例如，当发射器想要发送0时，它可以在100赫兹时传输波浪;对于A 1，它可以传输200-Hertz波。当信号撞击表面时，它会在水中产生微小的涟漪，高度仅为几微米，对应于那些频率。

为了实现高数据速率，系统同时发射多个频率，在无线通信中使用的调制方案，称为正交频率匹配复用。这让研究人员立即传递数百位。

定位在发射器上方的空气中是一种新型的极高频率雷达，可以在毫米波谱中处理无线传输的信号，在30到300的千兆赫兹之间。（即将到来的高频5G无线网络运行的频段。）

看起来像一对锥体的雷达传输反射振动表面的无线电信号，并回到雷达。由于信号与表面振动碰撞的方式，信号以略微调制角度返回，该角度完全对应于由声纳信号发送的数据位。例如，表示0位的水表面上的振动将导致反射信号在100赫兹的振动中的角度。

Adib说：“只要在水面上有任何形式的位移，雷达反射将变化一点点，”Adib说。“通过拾取这些微小的角度变化，我们可以拿起与声纳信号相对应的这些变化。”

听“耳语”

关键挑战是帮助雷达检测水面。为此，研究人员采用了一种检测环境中的反射的技术，并通过距离和力量来组织它们。随着水在新系统环境中具有最强大的反射，雷达知道到地面的距离。一旦建立了，它会在该距离的振动上放大，忽略所有其他附近的干扰。

下一个主要挑战是捕获米波以较大，自然波的剪辑。平静的天涟漪，称为毛细波浪，只有约2厘米，但这比振动量大了100,000倍。令人讨厌的海洋可以产生100万倍更大的波浪。“这干扰了水面上的微小声学振动，”Adib说。“就好像有人尖叫，你试图听到同时窃窃私语。”

为了解决这个问题，研究人员开发了复杂的信号处理算法。自然波发生在约1或2赫兹 - 或者每秒每秒移动信号区域的波或两个。然而，10至200赫兹的声纳振动速度快百倍。由于这种频率差异，算法Zeroes在快速移动的波上，同时忽略较慢的波。

测试水域

研究人员通过500试运行在水箱中和麻省理工学院的校园内的两个不同游泳池中进行了塔。

在罐中，雷达以20厘米到40厘米的范围放置在表面上，声纳发射器从表面以下5厘米到70厘米。在池中，雷达定位在表面上方约30厘米，而发射器浸入下方约3.5米。在这些实验中，研究人员还有游泳者创造了升至16厘米的波浪。

在两个设置中，塔克可以准确地解码各种数据 - 例如句子，“你好！从水下“ - 每秒数百位，类似于水下通信的标准数据速率。“虽然虽然有游泳运动员游泳并造成干扰和水流，但我们能够快速准确地解码这些信号，”Adib说。

然而，在高于16厘米的波浪中，系统无法解码信号。除其他外，下一步是改善系统在粗糙的水域中工作。“它可以处理平静的日子并处理某些水障碍。但是[使其实用]我们需要这可以在所有的日子和所有风雨上工作，“Adib说。

“Tarf是第一个系统，表明使用雷达从空中接收水下声学传输是可行的，”San Diego大学计算机科学与工程助理教授Aaron Schulman说。“我预计这项新的雷达声学技术将受益于依赖水下声学（例如海洋生物学）的领域的研究人员，并将激励科学界调查如何使雷达声学联系实用且鲁棒。”

研究人员还希望他们的系统最终能够使空中无人机或飞机飞过水面，以便在缩放时不断地拾取并解码声纳信号。

该研究部分得到了国家科学基金会的支持。