Учените са намерили нов начин за навигация под морето
Преди близо половин век Министерството на отбраната на САЩ започна работа по проект за определяне на местоположенията на повърхността на планетата благодарение на спътниците. Това, което сега е известно като GPS, оттогава е изминало дълъг път на развитие, прониквайки във всеки аспект от нашето ежедневие. От това да помогнем на жителите на градовете да не се изгубят по непознати улици, до предоставянето на спешни услуги.
Дори и най-съвременните GPS системи днес не са в състояние да картографират огромно парче от Земята. Именно това, което се намира под океани, морета или реки. На практика технологията не понася добре водата, което води до разграждане на радиовълните, на които GPS разчита, за да функционира.
Иновативен подход
Учените от Масачузетския технологичен институт търсят начини за създаване на нов тип подводен GPS. Изследователите са разработили устройство, наречено подводна локализация на обратното разсейване (UBL), което реагира на акустични сигнали, за да предостави информация за позицията на всеки обект. Всичко това, без дори да се използва батерия.
Вече съществуват подводни устройства, които действат като тракери, но те обикновено са звукови излъчватели. Произвежданите акустични сигнали се прихващат от приемник, който от своя страна може да установи произхода на звука. Такива устройства изискват батерии, което означава, че трябва да се сменят редовно.
Как работи
Системата UBL отразява сигналите вместо да ги излъчва. Технологията се основава на така наречените пиезоелектрични материали, които произвеждат малък електрически заряд в отговор на вибрации. Този електрически заряд може да се използва от устройството, за да отрази вибрацията обратно в посоката, от която е дошла.
В иновативната система, предавателят изпраща звукови вълни през водата към пиезоелектричен сензор. Акустичните сигнали, които достигат устройството, задействат съхранението на електрически заряд от материала, който след това се използва за отразяване на вълна обратно към приемника. Въз основа на това колко време отнема на звуковата вълна да се върне, приемникът може да изчисли разстоянието. За разлика от традиционните подводни акустични комуникационни системи, които изискват всеки сензор да генерира свои собствени възли, тук те комуникират, като просто отразяват акустичните сигнали в околната среда.
Усъвършенстване на технологията
На практика пиезоелектричните материали не са лесен компонент за работа. Времето, необходимо на сензора да се събуди и отрази звуков сигнал, е произволно. За да разрешат този проблем, учените са разработили метод, наречен скачане на честотата. Той включва изпращане на звукови сигнали към системата UBL през диапазон от честоти. Тъй като всяка честота има различна дължина на вълната, отразените звукови вълни се връщат в различни фази. Използвайки математическа теорема, наречена обратна трансформация на Фурие. Изследователите използват фазовите модели и данните за времето, за да реконструират разстоянието до проследяващото устройство с по-голяма точност.
Прескачането на честота показа някои обещаващи резултати в дълбоководни среди, но плитките се оказаха още по-проблематични. Поради краткото разстояние между повърхността и морското дъно, звуковите сигнали неконтролируемо отскачат напред-назад в по-ниски дълбочини, все едно ехо в камера, преди да достигнат приемника. Това води до потенциално бъркане с други отразени звукови вълни в процеса.
Посрещане на предизвикателствата
Едно от решенията се състои в намаляване на скоростта, с която акустичните сигнали се генерират от предавателя. Така ехото на всяка отразена звукова вълна ще може да заглъхне, преди да се намеси в следващата. По-бавните скорости обаче може да не са опция, когато става въпрос за проследяване на движещ се UBL. Възможно е, докато отразеният сигнал достигне приемника, обектът вече да се е преместил.
Справянето с тези предизвикателства ще изисква допълнителни изследвания, но тестовете в плитки води показват, че системата е постигнала точност до сантиметър. Технологията може да намери безброй приложения, ако някога осъществи своето пълномащабно развитие. Смята се, че повече от 80% от океанското дъно в момента не е картографирано, наблюдавано и изследвано. По-доброто разбиране на подводния живот би могло да донесе значителни ползи за изследванията на околната среда.
