Технології

Інженери створили нову систему підводної навігації на основі акустичних хвиль

Інженери Массачусетського технологічного інституту розробили навігаційну акустичну систему, що здатна працювати під водою та не потребує акумуляторів для роботи. Вона живиться відбитими модульованими звуковими сигналами та генерує двійкові імпульси. Стаття про це доступна на сайті інституту.

Reza Ghaffarivardavagh / MIT

Reza Ghaffarivardavagh / MIT

Як можна використовувати підводну навігацію?

Існує значний інтерес до підводних локалізаційних систем, які можна застосовувати для вивчення навколишнього середовища, промисловості та оборони. Кліматологи та океанологи зацікавлені у розгортанні таких систем, щоб краще відстежувати зміни у океані, наприклад, створювати підводні теплові мапи, вивчати різноманітні процеси у цьому середовищі та робити точні прогнози погоди і клімату. Морські біологи можуть використовувати такі системи для відстежування міграції та поведінки риб. На жаль, попередні проєкти з підводної локалізації залишаються неефективними. Оскільки стандартні сигнали GPS не працюють під водою, для побудови таких систем слід застосовувати інший підхід.

Чому GPS-навігація не працює під водою?

GPS-навігацією користуються у різноманітних сферах — від побуту до воєнних цілей. Проте три чверті поверхні Землі, що сховані під водою, недоступні для цієї системи. Справа в тому, що вода розсіює радіохвилі, без яких вона не може працювати. Саме тому підводні човни використовують сонари, або гідролокатори, щоб досліджувати своє оточення за допомогою звукових хвиль. За належних умов акустичні сигнали можуть долати великі відстані у такому середовищі. Але генератори акустичних сигналів потребують дуже багато енергії. Для атомних підводних човнів це не проблема, а от невеликі пристрої, що використовують акумулятори, з таким завданням не впораються.

Що створили інженери?

Дослідники створили та протестували систему підводного зворотнього розсіювання (underwater backscatter localization, UBL). Для цього вони використали п'єзоелектричні матеріали, які генерують електричний заряд внаслідок механічного навантаженнями, у тому числі й під дією звукових хвиль. На відміну від традиційних підводних акустичних систем зв'язку, які вимагають від кожного датчика генерувати власні сигнали, п'єзоелектричні датчики вибірково відбивають акустичні хвилі, що випромінюються із навколишнього середовища, у вигляді зворотнього розсіювання. Система використовує самі звукові хвилі як джерело живлення. Потім ці хвилі потрапляють на приймач, який демонструє інформацію про них у вигляді двійкового коду, де 1 відповідає відбитим звуковим хвилям, а 0 не відбитим.

Така система може використовуватися для встановлення місцезнаходження. Пункт спостереження може випромінювати звукову хвилю, а потім встановлювати час, який потрібен звуковій хвилі, щоб відбитися від п’єзоелектричного датчика і повернутися назад. Цей час можна використати для розрахунку відстані між спостерігачем та п'єзоелектричним датчиком.

Наразі система UBL пройшла перевірку концепції на мілководді, де вона оцінювала відстані з точністю майже до 50 сантиметрів. Наступним кроком буде збільшення діапазону відстаней. Кінцевою метою дослідників є навігаційна технологія, яка дозволить автономним транспортним засобам створювати детальні мапи дна океану.