实现潜艇与机载设备之间的直接通信一直是无线通信的长期挑战。 近日,美国麻省理工学院的研究人员在解决这一问题上取得了革命性进展。

 

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一、研究背景

长期以来,由于“水-空气”的物理隔离限制了无线信号的传输(空气中传输的无线电信号进入水中后会很快消失),水下设备发出的声音信号或声纳信号大部分会通过水。 穿过水面时会直接反射回水中),水下航行的潜艇通常无法与空中的任何设备直接通信,这会导致相关应用(如海洋探索、潜艇与机载通信)效率低下。设备)性和其他问题。 多年来,为了攻克这一难题,一些前沿技术诞生了,比如卫星通信、天地激光通信技术,甚至是目前正在研究的最热门的水下量子通信。

现在,麻省理工学院的研究人员开发出了一种革命性的无线通信系统:“平移声学射频通信”(TARF)系统,可以将数据从水下信号源直接传输到机载设备,突破了“水-空”无线通信障碍该系统包括声纳发射器和极高频雷达,在不久的将来,它将改变潜艇在对外通信方面的困境。

2、工作原理

该系统的工作原理是:通过声纳发射器向水面发送声波信号,在水面形成不同频率的微小振动。 这些特定的微小振动对应于二进制位码“0”和“1”,然后利用极高速机载频率雷达(30GHz至300GHz)捕获这些与二进制位码相关的微小信号,最终将声纳信号解码为有意义的信息。 该项目负责人法德尔·阿迪布表示,实现无线信号的“水-空气”跨介质传输一直是一个难题。 我们的出发点是将“水-空气”的物理屏障转化为传输介质。 。

3. 解码声纳信号

目前,实现“水空”无线通信的技术方案存在种种缺陷。 例如,“浮标系统”可以捕获声学设备发送到水面的声学信号,处理数据,并将无线电信号传输到机载接收器。 但这些浮标可能会漂移并在水面上迷失方向。 许多“浮标系统”还需要覆盖大片水域,因此使用该解决方案实现“水对空”无线通信并不切实际。

TARF系统中的水下声纳发射器使用标准声学扬声器来传输声纳信号。 信号以不同频率的压力波形式传播,对应不同的数据位。 例如,当发射机发出100Hz的气压波时,对应的数据位为“0”; 当它发出200Hz气压波时,对应的数据位为“1”。 当声波撞击水面时,水面上会形成微小的水波,波高只有几微米,与声波的频率相对应。

为了实现高数据速率,TARF系统采用“正交频分复用”,这是无线通信中使用的一种调制方案,可以同时传输多个频率。 这使得研究人员能够同时传输数百个比特。 在空中接收信号的是一种新型机载极高频雷达,可以处理30至300吉赫兹(高频5G无线网络运行的频段)的无线传输毫米波频谱中的信号。 当雷达(看起来像一对锥体)发射的无线电信号与振动的水波接触时,会根据水波的不同频率产生不同频率的反射信号。 反射信号与声纳信号发送的数据位完全对应,并被雷达接收。 例如,表示“0”的水波频率对应于100Hz的反射信号频率。

4. TARF制度面临的挑战

两大挑战及解决方案

一是机载雷达检测水面反射信号。 为此,研究人员使用了一种技术来检测环境中的反射信号,并根据距离和功率对其进行分析。 由于水是TARF系统应用环境中反射能力最强的介质,因此雷达可以计算出其到水面的距离。 一旦确定了该距离,它就会放大从该距离接收到的反射信号,从而避免周围环境中其他反射信号的干扰。

二是从水面上大量波长较长的自然波中捕获声纳声波引起的微米波。 为了解决这个问题,研究人员开发了复杂的信号处理算法。 自然波的频率约为1至2赫兹,这意味着它每秒在信号区域移动1至2个波长。 然而,声纳发出的声波频率为100至200赫兹,比自然波的频率快100倍。 由于这种频率差异,该算法将声纳声波的频率归零,从而避免自然波的干扰。

5. TARF系统测试

研究人员在麻省理工学院的一个水箱和两个不同的游泳池中对 TARF 系统进行了 500 次测试。 在水箱测试中,雷达放置在距离水面0.2至0.4米的范围内,声纳发射器放置在距离水面0.05至0.7米的水中。 在游泳池测试中,雷达位于水面以上约0.3米,发射器位于水面以下约3.5米。 在游泳池测试中,研究人员还要求游泳者制造约0.16米高的波浪。 在这两种测试环境中,TARF 系统都能准确解码各种数据。 例如,水下声纳发射机发射的文本信号“来自水下的问候”可以以每秒数百比特的速率传输到机载雷达,该速率接近水下通信的标准数据传输速率。 即使存在游泳者引起的水流和其他干扰,雷达也能快速准确地解码这些信号。

然而,当游泳池内的波浪高于0.16米时,TARF系统无法解码信号。 接下来的工作是提高 TARF 系统性能,以实现从更复杂的水域到空中的无线通信。 研究人员的最终目标是利用TARF系统使机载雷达能够连续捕获和解码水下声纳信号。

6. TARF系统的军事应用

已开发的原型TARF系统尚不能传输图片或复杂信息。 它只能以每秒几百位的速率传输数据,并且只能用于单向通信传输。 尽管TARF系统仍处于早期阶段,但它仍然是一个里程碑,可以实现“水对空”无线通信的新应用。 这种新型通信技术的日益成熟,将在很大程度上解决或缓解长期以来困扰潜艇水下作战通信的难题。 与其他通信方式配合,将显着提高潜艇的生存和攻击能力,为未来海上作战提供保障。 带来新的变化。 例如,未来的潜艇将能够直接向在海洋上空盘旋的飞机(包括无人机)发送有关其目击事件的情报信息,而无需浮出水面,同时将自己保持在水下的安全位置。 此外,监测海洋生物(或物体)的无人水下航行器将能够直接向海底深处的研究人员发送数据。 另一个潜在的应用是帮助搜索在水下失踪的飞机。 TARF系统中的声纳发射器可以内置于飞机黑匣子中作为声学传输信标。 它将定期发送信号。 极高频雷达接收到的信号可以定位飞机的具体位置。

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