Подводная связь нового поколения: антенна BlueME, вдохновленная медициной

Большинство подводных роботов теряют связь с поверхностью, как только погружаются под воду. Однако новая антенная технология, вдохновленная физикой медицинских имплантатов, меняет представления о том, как подводные аппараты общаются друг с другом и с людьми.

Преодоление барьеров подводной коммуникации

Радиоволны практически бесполезны под водой. В соленой воде обычные сигналы ослабевают (затухают) на 1–10 децибел на метр, ограничивая дальность связи всего несколькими метрами. Акустическая связь работает на больших расстояниях, но сталкивается с эффектом Доплера (изменением частоты сигнала из-за движения), многолучевым распространением (отражением эхо-сигналов от дна и поверхности) и шумом, который может вредить морским обитателям. Оптические системы чрезвычайно быстры, но требуют прямой видимости и неэффективны в мутной воде или при загрязнении линз микроорганизмами. В итоге большинство современных подводных роботов либо обмениваются краткими сигналами о состоянии, либо вынуждены всплывать для передачи данных миссии, что значительно ограничивает их автономность в реальном времени.

Революционная антенна BlueME

Изменить эту ситуацию призвана новая антенна под названием BlueME. Эта система связи, разработанная командой Университета Флориды, позволяет автономным подводным аппаратам (АПА) надежно обмениваться данными на расстоянии до 730 метров, потребляя при этом около 10 ватт энергии — меньше, чем обычная бытовая светодиодная лампа.

Работа, принятая к публикации в журнале IEEE Journal of Oceanic Engineering, возникла из неожиданной области исследований. Соруководитель проекта Адам Халифа годами занимался разработкой миниатюрных беспроводных имплантатов, прежде чем заметил очевидную, по его словам, вещь. В какой-то момент стало ясно, что многие физические проблемы, существующие внутри человеческого тела, также присущи и подводной среде. Отмечено, что человеческое тело по сути состоит из слабосоленой воды. Это осознание открыло путь к совершенно иному подходу в разработке океанской связи.

Магнитоэлектрическая технология в действии

Ключевым нововведением BlueME является магнитоэлектрическая (МЭ) антенна — устройство, последовательно использующее два физических эффекта. Магнитное поле деформирует магнитострикционный слой, изготовленный из материала Metglas. Эта механическая деформация затем вызывает напряжение в соседнем пьезоэлектрическом слое (PZT — распространенная керамика, используемая в датчиках и исполнительных механизмах). Если запустить процесс в обратном порядке, получится передатчик. В результате создана антенна, работающая на очень низких частотах, около 35–36 кГц, при этом она значительно компактнее обычных электрических антенн, используемых в том же частотном диапазоне.

Конструкция системы и повышение эффективности

Полная система включает 15 таких антенн, объединенных в массив 3х5, и размещена в герметичных корпусах с масляным заполнением, которые компенсируют высокое гидростатическое давление на глубине. Неочевидная особенность конструкции заключается в том, что эффективность МЭ-антенн возрастает при погружении. На частоте 36 кГц длина волны сокращается с примерно 8 327 метров в воздухе до всего 170 метров в пресной воде — такое сжатие значительно повышает эффективность излучения для небольших антенн. Использование 15 антенн одновременно увеличивает излучаемую мощность в 225 раз по сравнению с одним элементом; в сочетании с согласованным приемным массивом теоретическое общее улучшение связи достигает примерно 119 децибел.

Практические испытания и производительность

Команда провела испытания на открытой воде в двух местах: на озере Уобург в Гейнсвилле, Флорида (пресная вода), и на побережье Мексиканского залива Флориды (соленая вода). В пресной воде BlueME поддерживала надежную связь на расстоянии 200 метров при потреблении всего 1 ватта. В соленой воде система обнаруживала сигналы на расстоянии 730 метров при потреблении менее 10 ватт, при этом производительность оставалась стабильной независимо от мутности воды, наличия препятствий или многолучевого распространения.

Скорость передачи данных составляет от 1 до 100 килобит в секунду, что значительно ниже гигабитных скоростей, достигаемых оптическими системами в идеальных условиях. Однако скорость никогда не была главной целью. По словам соруководителя проекта Мд Джахидула Ислама, система позволяет роботу «отправлять оператору сообщения каждые 10 минут о ходе миссии, что дает возможность принимать решения в реальном времени и, возможно, корректировать задачи».

Будущее подводной автономии

По мнению авторов, данная работа представляет собой как первое практическое развертывание магнитоэлектрических антенн на открытом воздухе, так и крупнейший массив сверхнизких/низких частот (СНЧ/НЧ) такого типа из когда-либо построенных. Команда подала предварительную патентную заявку и ищет финансирование для доработки аппаратного обеспечения и проведения испытаний на полномасштабных автономных подводных аппаратах. Потенциальные области применения включают кооперативную навигацию флотов, картирование морского дна и определение местоположения в реальном времени.

Как отмечает Халифа, эти результаты были продемонстрированы при очень ограниченных первоначальных ресурсах. С целенаправленной разработкой и более масштабным развертыванием возможности станут значительно шире.

Речь идет о самых ранних этапах создания очень мощного продукта, добавляет Ислам.

Источник: Университет Флориды

Твитнуть