Trådlöst från vatten till luft

Illustration av ubåt som sänder vågor till havsytan. Ett jetplan flyger över huvudet. George Wylesol

MIT Media Lab-forskare har tagit ett steg mot att lösa en långvarig utmaning med trådlös kommunikation: direkt dataöverföring mellan undervattens- och luftburna enheter.

Idag kan undervattenssensorer inte dela data med dem på land, eftersom båda använder trådlösa signaler som bara fungerar i sina respektive medium. Radiosignaler som färdas genom luft dör snabbt i vatten; akustiska signaler, eller ekolod, som skickas av undervattensanordningar reflekteras mestadels från ytan utan att bryta igenom. Bojar har designats för att ta upp ekolodsvågor, bearbeta data och skjuta radiosignaler till luftburna mottagare. Men de kan driva iväg och gå vilse, och det behövs många för att täcka stora ytor.

Biträdande professor Fadel Adib och hans doktorand Francesco Tonolini tar itu med detta problem med ett direkt undervatten-till-luft-överföringssystem, kallat translationell akustisk-RF-kommunikation (TARF). Att försöka ta sig över luft-vattengränsen med trådlösa signaler har varit ett hinder. Vår idé är att förvandla själva hindret till ett medium för att kommunicera, säger Adib.

I systemet sänder en vanlig akustisk högtalare ekolodssignaler till vattenytan, vilka färdas som tryckvågor med olika frekvenser som motsvarar olika databitar. Att skicka en 0 , kan sändaren skicka, säg, en våg som rör sig vid 100 hertz; för en ett , kan den sända en 200-Hz-våg. När signalen träffar ytan orsakar den små krusningar i vattnet, bara några mikrometer höga, motsvarande de frekvenserna.

I luften ovanför sändaren finns en extremt högfrekvent radar som bearbetar signaler i millimetervågspektrumet för trådlös överföring, mellan 30 och 300 gigahertz. Radarn – som ser ut som ett par koner – skickar en radiosignal som reflekteras från den vibrerande ytan och studsar tillbaka med en något modulerad vinkel som motsvarar den skickade data. En vibration på vattenytan som representerar en 0 bit kommer till exempel att få den reflekterade signalens vinkel att vibrera vid 100 Hz. Den biten avkodas sedan.

Forskarna testade TARF i simbassänger vid MIT, med simmare som stör det omgivande vattnet. Sändaren var nedsänkt upp till 3,5 meter under ytan och mottagaren placerades upp till 30 centimeter ovanför. TARF noggrant avkodade meddelanden – som Hej! från undervatten - med hundratals bitar per sekund, liknande standarddatahastigheter för undervattenskommunikation. Ett papper som beskrev systemet och resultaten presenterades vid årets Sigcomm-konferens.

Systemet kan öppna nya möjligheter för vatten-luft-kommunikation, säger Adib. Militära ubåtar kunde kommunicera med flygplan utan att dyka upp och äventyra deras platser. Undervattensdrönare som övervakar marint liv skulle inte behöva ständigt dyka upp igen från djupdykning för att skicka data till forskare, vilket är ineffektivt och kostsamt. Systemet kan också hjälpa till att hitta flygplan som förlorats under vattnet. Akustiska sändande beacons skulle kunna implementeras i, säg, ett plans svarta låda, säger Adib. Sedan kunde de skicka signaler med jämna mellanrum för sökplan att avkoda.

Dölj