声学技术为无线水下摄像机供能，能源效率提高十万倍

声学技术为无线水下摄像机供能，能源效率提高十万倍

科学家估计，地球上95%以上的海洋从未被观测到过，这意味着我们看到的海洋比我们看到的月球背面或火星表面还少。

将水下摄像机固定在科考船上或派船为其充电，为其提供长时间动力的高昂成本，是一个严峻的挑战，阻碍了广泛的海底探索。

麻省理工学院的研究人员在克服这一问题上迈出了重要一步，他们开发了一种无需电池的无线水下相机，它的能源效率是其他水下相机的10万倍左右。该设备即使在黑暗的水下环境中也能拍摄彩色照片，并通过水中无线传输图像数据。

相机由声音提供动力。它将声波中的机械能转化为电能，为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接收器，接收器可以重建图像。

因为它不需要电源，相机可以连续运行数周，然后再进行检索，使科学家能够在海洋的偏远地区搜索新物种。它还可以用来捕捉海洋污染的图像，或监测水产养殖场饲养的鱼类的健康和生长。

“对我个人来说，这款相机最令人兴奋的应用之一是在气候监测方面。我们正在建立气候模型，但我们丢失了95%以上海洋的数据。这项技术可以帮助我们建立更精确的气候模型，更好地理解气候变化如何影响水下世界。”麻省理工学院电子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Fadel Adib说，他也是这篇论文的高级作者。

和Adib一起完成论文的还有信号动力学小组研究助理Sayed Saad Afzal，Waleed Akbar和Osvy Rodriguez，以及研究科学家Unsoo Ha，以及前小组研究人员Mario Doumet和Reza Ghaffarivardavagh。这篇论文发表在《自然通讯》杂志上。

为了制造一个能够长时间自主工作的相机，研究人员需要一种能够在水下自己收集能量，同时消耗很少电力的设备。

该相机通过放置在其外部的压电材料制成的换能器来获取能量。当机械力施加在压电材料上时，压电材料会产生电信号。当声波在水中传播到换能器上时，换能器就会振动，并将机械能转化为电能。

这些声波可能来自任何来源，比如驶过的船只或海洋生物。相机将收集到的能量储存起来，直到足够为拍摄照片和传输数据的电子设备提供能量。

为了保持尽可能低的功耗，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捉灰度图像。由于大多数水下环境缺乏光源，他们也需要开发一种低功率的闪光灯。

“我们试图尽可能减少硬件，这对如何构建系统、发送信息和执行图像重建造成了新的限制。要想出如何做到这一点需要相当多的创造力。”Adib说。

他们同时用红、绿、蓝三色led解决了这两个问题。当相机捕捉到图像时，它会照亮一个红色LED，然后使用图像传感器拍摄照片。它用绿色和蓝色LED重复同样的过程。

Akbar解释说，尽管照片看起来是黑白的，但每张照片的红色、绿色和蓝色的光都被反射到了白色的部分。将图像数据进行组合后处理，可以对彩色图像进行重构。

“当我们还是孩子的时候，在美术课上，我们被教导可以用三种基本颜色做出所有的颜色。同样的规则也适用于我们在电脑上看到的彩色图像。我们只需要红、绿、蓝三种通道来构建彩色图像。”

用声音发送数据

一旦捕获图像数据，它们将被编码为比特（1和0），并使用水下反向散射（underwater backscatter）过程一次发送一个比特给接收方。接收器将声波通过水传递到摄像机，摄像机就像一面镜子一样反射这些声波。相机要么把波反射回接收器，要么把它的“镜子”变成吸收器，这样就不会反射回来。

发射器旁边的水听器可以感知从相机反射回来的信号。如果它接收到一个信号，那就是位-1，如果没有信号，那就是位-0。该系统利用这些二进制信息对图像进行重构和后处理。

“由于整个过程只需要一个开关就能将设备从非反射状态转换为反射状态，因此消耗的电能比典型的水下通信系统要少5个数量级。”Afzal说。

研究人员在几种水下环境中测试了该相机。在其中一个实验中，他们捕捉到了新罕布什尔州池塘中漂浮的塑料瓶的彩色图像。他们还能够拍摄到非洲海星的高质量照片，甚至可以清楚地看到它手臂上的小结节。该设备还可以有效地在一周的黑暗环境中重复成像水下植物Aponogeton ulvaceus，以监测其生长。

现在他们已经演示了一个工作原型，研究人员计划增强该设备，以便在现实环境中部署。他们想要增加相机的内存，这样它就可以实时捕捉照片、流图像，甚至拍摄水下视频。

他们还想扩大相机的拍摄范围。他们成功地将数据传输到距离接收器40米的地方，但扩大这个范围将使相机能够在更多的水下环境中使用。

信息源于：eurekalert

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