麻省理工学院媒体实验室的研究人员设计了一个系统，允许水下和机载传感器之间直接共享数据。水下发射器将声纳信号引导到水面，产生与传输的1和0相对应的微小振动。在水面上方，高灵敏度接收器读取这些微小振动并解码声纳信号。图片来源：Christine Daniloff /麻省理工学院
麻省理工学院的研究人员已经朝着解决长期无线通信挑战迈出了一步：水下和机载设备之间可以直接进行数据传输。
目前，水下传感器不能与陆地上的传感器共享数据，因为它们都使用仅在各自介质中工作的不同的无线信号。通过空气传播的无线电信号在水中非常快速地衰减。由水下装置发出的声信号或声纳大部分反射到水面下上而不会向上面的空中传输。这导致各种应用的低效率和其他问题，例如海洋勘探和潜艇到地面通信。
而这一难题有望被打破。据报道，麻省理工学院介质实验室的研究人员设计了一种以新颖的方式解决这一问题的系统。水下发射器将声纳信号引导到水面，产生与传输的1和0相对应的微小振动。在水面上方，高灵敏度接收器读取这些微小的振动并解码声纳信号。
在这种方法出现以前，从未有过在空气和水下之间发送通信信号的方法。如果一艘水下潜艇从天空中的一架飞机下面经过，那么他们就没有办法在潜艇没有浮出水面的情况下相互通信，而浮出水面会危及自身安全，使敌人掌握潜艇的位置。麻省理工学院媒体实验室的Fadel Adib和Francesco Tonolini开发了一种通过Translational Acoustic-RF通信或TARF连接这些看似不和谐的介质的方法。使用来自水下的声波和来自空中的雷达，可以通过在水面上产生微弱的涟漪来传递信息。
“试图通过无线信号跨越空气 - 水面边界一直是一个障碍。我们的想法是将障碍本身转化为一种媒介，通过这种媒介进行交流，“介质实验室的助理教授，领导这项研究的Fadel Adib说。他与他的研究生Francesco Tonolini合写了这篇论文。
Adib表示，该系统称为“平移声学 - 射频通信”（TARF），仍处于早期阶段。但它代表了一个“里程碑”式的突破与创新，他说，这可以开启水上航空通信的新能力。例如，使用该系统，军用潜艇不需要浮出水面就可与飞机通信，从而避免影响其被敌人定位。监测海洋生物的水下无人机不需要经常从深潜中重新浮出水面，就可向研究人员发送数据。
另一个有希望的应用是帮助搜索在水下失踪的飞机。“声学传输信标可以在飞机的黑匣子中实现，”阿迪布说。“如果它偶尔发送一个信号，你就可以使用系统来接收信号。”
解码振动
当前的无线通信问题的技术解决方案存在各种缺点。例如，浮标设计用于拾取声纳波，处理数据，并向机载接收器发射无线电信号。但是这些可能会逐渐消失并迷失方向。许多人还需要覆盖大面积区域，这使得它们对于潜艇到地面通信来说是不切实际的。
TARF包括一个水声发射器，使用标准声学扬声器发送声纳信号。信号作为对应于不同数据位的不同频率的压力波传播。例如，当发射机想要发送0时，它可以发射以100赫兹行进的波; 对于1，它可以传输200赫兹的波。当信号撞击水面时，它会在水中产生微小的波纹，高度只有几微米，与这些频率相对应。
为了实现高数据速率，系统基于无线通信中使用的调制方案（称为正交频分复用）同时发送多个频率。这让研究人员可以同时传输数百个比特。
位于发射机上方的空气中是一种新型的超高频雷达，可处理30至300千兆赫的无线传输毫米波频谱中的信号。（这就是即将推出的高频5G无线网络运营的频段。）
该雷达看起来像一对锥体，它发出一个无线电信号，从振动表面反射回来并反弹回雷达。由于信号与水面振动碰撞的方式，信号以稍微调制的角度返回，该角度与声纳信号发送的数据位完全对应。例如，表示0位的水面上的振动将使反射信号的角度以100赫兹振动。
“只要在水面上有任何形式的位移，雷达的反射就会有所变化，”阿迪布说。“通过拾取这些微小的角度变化，我们可以获得与声纳信号相对应的这些变化。”
听“耳语”
一项关键挑战是帮助雷达探测水面。为此，研究人员采用了一种技术来检测环境中的反射，并通过距离和功率来组织它们。由于水在新系统的环境中具有最强大的反射，雷达知道到地面的距离。一旦确定，它会放大该距离的振动，忽略所有其他附近的干扰。
接下来的主要挑战是捕获被更大的自然波包围的微米波。平静日子里最小的海洋涟漪，称为毛细管波，只有2厘米高，但比振动大10万倍。较粗糙的海域可以产生100万倍的海浪。“这会干扰水面微小的声学振动，”Adib说。“好像有人在尖叫，而你正试图听到有人在同一时间窃窃私语。”
为了解决这个问题，研究人员开发了复杂的信号处理算法。自然波发生在大约1或2赫兹 - 或者，每秒钟在信号区域上移动一两波。然而，100到200赫兹的声纳振动要快一百倍。由于这种频率差异，算法将快速移动的波浪归零，而忽略较慢的波浪。
测试水域
研究人员将TARF在水箱和麻省理工学院校园内两个不同的游泳池中进行了500次试运行。
在坦克中，雷达放置在距离地面20厘米至40厘米的范围内，声纳发射器放置在距离地面5厘米至70厘米的范围内。在水池中，雷达位于地面以上约30厘米处，而发射器位于下方约3.5米处。在这些实验中，研究人员还让游泳者创造了大约16厘米的波浪。
在这两种设置中，TARF能够准确地解码各种数据 - 例如句子，“你好！从水下“ - 每秒数百比特，类似于水下通信的标准数据速率。“即使有游泳者游泳并引起干扰和水流，我们也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。接下来的步骤是改进系统以在更粗糙的水域中工作。“它可以应对平静的日子并应对某些水灾。但是[为了实用]，我们需要在所有日子和所有天气环境下工作，“阿迪布说。
“TARF是第一个证明使用雷达从空中接收水下声学传输的系统，”加州大学圣地亚哥分校计算机科学与工程助理教授Aaron Schulman说。“我期望这种新的雷达声学技术将使依赖于水声学领域（例如，海洋生物学）领域的研究人员受益，并将激励科学界研究如何使雷达声学链路实用和稳健。”
研究人员还希望他们的系统能最终使飞行在水面上的无人机或飞机在变焦时不断拾取和解码声纳信号。该研究部分得到了国家科学基金会的支持。
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