新型水聲定位系統：更簡單、更高效、更低成本！

導讀

最近，西班牙 IMDEA Networks 與以色列海法大學的研究人員合作開發了一種水聲定位系統，用於定位海洋哺乳動物、水下航行器以及海洋中的其他聲源，它只使用了一個水中聽音器（基本上就是一個水下的麥克風）作為接收器。

關鍵字

海洋、通信、聲學

背景

海洋，覆蓋了地球三分之二的表面，蘊藏豐富的信息。這些信息關係到氣候、地球的歷史、有待開發的能源和生命形態，對於我們這顆星球的未來來說非常重要。

（圖片來源：維基百科）

由於物理條件限制，目前水下通信並不發達。因為高頻波，例如無線電波，在水中會被迅速吸收，所以傳輸距離無法達到很遠。另外，光學通信在水中的效果也會變差，因為光線在水中經過長距離傳輸，會由於水中的微粒而發生散射。

因此，對於長距離水下通信來說，聲波是一個較好的選擇。通過海洋無線傳輸聲學信息，將成為未來海洋觀測系統開發的一項關鍵技術。對於許多似乎可以從海洋中尋找到答案的關鍵性問題，例如導航、海底測繪、捕魚、海上石油勘測和艦船探測，這項技術也成為我們獲取更佳認知的墊腳石。

對於海洋聲學通信，讓我們先回顧一下筆者曾介紹過的一個創新案例，它旨在提高聲學通信的數據傳輸速率：美國能源部所屬勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員利用聲波在傳輸過程中產生的動態旋轉，也稱為「軌道角動量」，在單個頻率上包裝更多的信道，顯著增加信息傳輸量。

創新

今天，我要介紹的這項新合作研究主要聚焦水下信息傳輸的方面：更簡單、更高效、更低成本地定位海洋聲源。

最近，西班牙 IMDEA Networks 與以色列海法大學的研究人員合作開發了一種水聲定位系統，用於定位海洋哺乳動物、水下航行器以及海洋中的其他聲源，它只使用了一個水中聽音器（基本上就是一個水下的麥克風）作為接收器。

（圖片來源： IMDEA Networks）

技術

如今，使用多個接收器覆蓋廣闊的海洋，基於聲學信號定位海洋哺乳動物或者水下航行器，其成本非常高。因此，該國際科研團隊致力於解決如何評估水下聲源的軌跡，而這些水下聲源發出聲音信號時，不需要使用任何錨節點或者某個接收陣列。

（圖片來源： IMDEA Networks）

（圖片來源： IMDEA Networks）

（圖片來源： IMDEA Networks）

傳統的定位演算法，例如在類GPS系統中使用的那些，無法直接移植到水下場景中。在這個創新系統中進行定位，離不開接收水聽器周圍環境的附加信息。

尤其是，系統依賴于海底地形變化、水下岩層深度和形狀信息，專業技術辭彙是「水深測量」（bathymetry）。接收器記錄下信號傳播時在不同方向上發生的變化，然後這些變化會被建模，用於區別聲源位置。在計算中去除殘餘「噪音」後，計算結果對於這些聲源軌跡作出了確切的評估。

負責這項研究的科學家們認為，假如接收器具有足夠的準確度和最新的環境信息，在該系統中評估位置時發生的錯誤將最少。

價值

這種創新型水下位置系統的部署和實現都很簡單，在尺寸、功率和部署成本要求嚴格的定位應用中，這種設計都可以派上用場。

參考資料

【1】https://www.networks.imdea.org/whats-new/news/2017/underwater-acoustic-localization-marine-mammals-and-vehicles

【2】http://eprints.networks.imdea.org/1675/

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