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麻省理工学院工程师制造无电池无线水下摄像机
指南者留学 2022-09-26 14:07:15
阅读量：1395
将水下摄像机拴在研究船上或派遣船只为其电池充电，长时间为水下摄像机供电的高成本是阻止广泛的海底探索的严峻挑战。
麻省理工学院的研究人员通过开发一种无电池的无线水下相机，为克服这个问题迈出了重要的一步，该相机的能效比其他海底相机高出约10万倍。即使在黑暗的水下环境中，该设备也能拍摄彩色照片，并通过水无线传输图像数据。
自主摄像头由声音驱动。它将穿过水的声波的机械能转化为电能，为其成像和通信设备提供动力。在捕获和编码图像数
据后，相机还使用声波将数据传输到重建图像的接收器。因为它不需要电源，所以相机可以在检索之前连续运行数周，使科
学家能够在海洋的偏远地区寻找新物种。它还可用于捕捉海洋污染的图像或监测水产养殖场养殖鱼类的健康和生长。“就我个
人而言，这款相机最令人兴奋的应用之一是在气候监测的背景下。我们正在建立气候模型，但我们缺少来自95%以上海洋的
数据。这项技术可以帮助我们建立更准确的气候模型，更好地了解气候变化如何影响海底世界，“电气工程和计算机科学系副
教授、麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组主任、一篇关于该系统的新论文的高级作者Faddle Adib说。加入Adib论文的
是共同主要作者和信号动力学小组研究助理赛义德·萨阿德·阿夫扎尔，瓦利德·阿克巴和奥斯维·罗德里格斯，以及研究科学家
Unsoo Ha，以及前小组研究员马里奥·杜梅特和礼萨·加法里瓦尔达瓦格。这篇论文今天发表在《自然通讯》上。
无电池
为了制造一种可以长时间自主运行的相机，研究人员需要一种可以在水下单独收集能量而消耗很少的功率的设备。相机
使用由压电材料制成的传感器获取能量，这些传感器放置在其外部周围。当压电材料施加机械力时，它们会产生电信号。当
穿过水的声波撞击到换能器时，它们会振动并将机械能转化为电能。
这些声波可能来自任何来源，比如一艘过往的船或海洋生物。相机存储收集的能量，直到它积累了足够的能量来为拍照
和通信数据的电子设备供电。为了尽可能降低功耗，研究人员使用了现成的超低功耗成像传感器。但这些传感器只能捕获灰
度图像。由于大多数水下环境缺乏光源，他们也需要开发低功耗闪光灯。“我们试图尽可能地最小化硬件，这给如何构建系统、
发送信息和执行图像重建带来了新的限制。这需要相当多的创造力来弄清楚如何做到这一点，“Adib说。他们使用红色、绿色
和蓝色 LED 同时解决了这两个问题。当相机捕获图像时，它会发光红色LED，然后使用图像传感器拍摄照片。它对绿色和蓝色
LED 重复相同的过程。Akbar解释说，即使图像看起来黑白相间，红色，绿色和蓝色的光也会反射在每张照片的白色部分。当
图像数据在后处理中合并时，可以重建彩色图像。“当我们还是艺术课上的孩子时，我们被教导我们可以用三种基本颜色制作
所有颜色。我们在计算机上看到的彩色图像遵循相同的规则。我们只需要红色，绿色和蓝色 - 这三个通道 - 来构建彩色图像，“
他说。
发送有声数据
一旦捕获图像数据，它们就会被编码为位（1和0s），并使用称为水下反向散射的过程一次一个位地发送到接收器。接收
器通过水将声波传输到相机，相机充当反射这些波的镜子。相机要么将波反射回接收器，要么将其镜子更改为吸收器，使其不
会反射回来。发射器旁边的水听器会感应信号是否从摄像机反射回来。如果它接收到一个信号，那就是一个位-1，如果没有信
号，那就是一个位-0。系统使用此二进制信息来重建和后处理图像。“这整个过程，因为它只需要一个开关将设备从非反射状态
转换为反射状态，因此消耗的功率比典型的水下通信系统低五个数量级，”Afzal说。
研究人员在几种水下环境中测试了相机。在其中一次，他们捕捉了漂浮在新罕布什尔州池塘中的塑料瓶的彩色图像。他们
还能够拍摄出如此高质量的非洲海星照片，以至于沿着其手臂的微小结节清晰可见。该设备还有效地在一周的黑暗环境中反复
对水下植物Aponogeton ulvaceus进行成像，以监测其生长情况。现在他们已经展示了一个工作原型，研究人员计划增强该设
备，使其在实际环境中部署是可行的。他们希望增加相机的内存，以便它可以实时捕获照片，流式传输图像，甚至拍摄水下视
频。他们还想扩大相机的范围。他们成功地将数据传输到距离接收器40米的地方，但是将该范围推得更宽将使相机能够在更多
的水下环境中使用。“这将为低功耗物联网设备以及水下监测和研究的研究开辟巨大的机会，”伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校
电气和计算机工程助理教授Haitham Al-Hassanieh说，他没有参与这项研究。这项研究部分得到了海军研究办公室，斯隆研究
奖学金，国家科学基金会，麻省理工学院媒体实验室和海洋利用多尔蒂椅子的支持。
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