新型水声定位系统：更简单、更高效、更低成本！

导读

最近，西班牙 IMDEA Networks 与以色列海法大学的研究人员合作开发了一种水声定位系统，用于定位海洋哺乳动物、水下航行器以及海洋中的其他声源，它只使用了一个水中听音器（基本上就是一个水下的麦克风）作为接收器。

关键字

海洋、通信、声学

背景

海洋，覆盖了地球三分之二的表面，蕴藏丰富的信息。这些信息关系到气候、地球的历史、有待开发的能源和生命形态，对于我们这颗星球的未来来说非常重要。

（图片来源：维基百科）

由于物理条件限制，目前水下通信并不发达。因为高频波，例如无线电波，在水中会被迅速吸收，所以传输距离无法达到很远。另外，光学通信在水中的效果也会变差，因为光线在水中经过长距离传输，会由于水中的微粒而发生散射。

因此，对于长距离水下通信来说，声波是一个较好的选择。通过海洋无线传输声学信息，将成为未来海洋观测系统开发的一项关键技术。对于许多似乎可以从海洋中寻找到答案的关键性问题，例如导航、海底测绘、捕鱼、海上石油勘测和舰船探测，这项技术也成为我们获取更佳认知的垫脚石。

对于海洋声学通信，让我们先回顾一下笔者曾介绍过的一个创新案例，它旨在提高声学通信的数据传输速率：美国能源部所属劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员利用声波在传输过程中产生的动态旋转，也称为“轨道角动量”，在单个频率上包装更多的信道，显著增加信息传输量。

创新

今天，我要介绍的这项新合作研究主要聚焦水下信息传输的方面：更简单、更高效、更低成本地定位海洋声源。

最近，西班牙 IMDEA Networks 与以色列海法大学的研究人员合作开发了一种水声定位系统，用于定位海洋哺乳动物、水下航行器以及海洋中的其他声源，它只使用了一个水中听音器（基本上就是一个水下的麦克风）作为接收器。

（图片来源： IMDEA Networks）

技术

如今，使用多个接收器覆盖广阔的海洋，基于声学信号定位海洋哺乳动物或者水下航行器，其成本非常高。因此，该国际科研团队致力于解决如何评估水下声源的轨迹，而这些水下声源发出声音信号时，不需要使用任何锚节点或者某个接收阵列。

（图片来源： IMDEA Networks）

（图片来源： IMDEA Networks）

（图片来源： IMDEA Networks）

传统的定位算法，例如在类GPS系统中使用的那些，无法直接移植到水下场景中。在这个创新系统中进行定位，离不开接收水听器周围环境的附加信息。

尤其是，系统依赖于海底地形变化、水下岩层深度和形状信息，专业技术词汇是“水深测量”（bathymetry）。接收器记录下信号传播时在不同方向上发生的变化，然后这些变化会被建模，用于区别声源位置。在计算中去除残余“噪音”后，计算结果对于这些声源轨迹作出了确切的评估。

负责这项研究的科学家们认为，假如接收器具有足够的准确度和最新的环境信息，在该系统中评估位置时发生的错误将最少。

价值

这种创新型水下位置系统的部署和实现都很简单，在尺寸、功率和部署成本要求严格的定位应用中，这种设计都可以派上用场。

参考资料

【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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