麻省理工学院开发的水下摄像机不需要电池就能无线工作

[复制链接]
; \6 V" V6 e% ^# i5 Q

这种新的超低功率成像方法,采用了水下后向散射成像。

8 ]# H7 t/ s2 }- U
( E8 @6 i" ?( K9 D3 g

上图:麻省理工学院的工程师建造了一个无电池无线水下相机,可以帮助科学家探索未知的海洋区域、追踪污染或监测气候变化的影响。

( b4 V$ Y6 N* X$ k( {

根据发表在《自然通讯》杂志上的一篇新论文,麻省理工学院的工程师们制造了一种无线、无电池的水下摄像机,它能够在消耗非常少的电力的情况下自己收集能量。该系统可以拍摄远程水下物体的彩色照片(即使是在黑暗的环境中),并将数据无线传输,用于实时监测水下环境,帮助发现新的稀有物种或监测洋流、污染或商业和军事行动。

7 N; C6 b" g+ I

我们已经有了拍摄水下图像的各种方法,但根据作者的说法,“大多数海洋和海洋生物还没有被观察到。”部分原因是,大多数现有的方法都需要拴在船舶、水下无人机或发电机上才能获得电力和通信。那些不使用栓系的方法,必须结合电池的能量,这也限制了它们的使用寿命。虽然原则上可以从海浪、水下洋流甚至阳光中获取能量,但增加必要的设备将导致体积更大、价格更贵的水下相机。

8 N" m6 C2 o5 W9 Q

因此,麻省理工学院的团队着手开发一种无需电池的无线成像方法。设计目标是尽可能减少所需的硬件。例如,由于他们想要将功耗降到最低,麻省理工学院的团队就使用了廉价的现成成像传感器。这种传感器只能产生灰度图像。该团队还需要开发一种低功率的闪光灯,因为大多数水下环境没有太多的自然光。

/ j( m: `- Z. n" L P
, r k9 @1 \. x, x9 y

上图:水下反向散射成像系统如何工作的概述。

$ H- T5 i1 O6 z: Q, H

解决这两个挑战的方法是结合红色、绿色和蓝色LED。摄像机使用红色LED进行现场照明,用传感器捕捉图像,然后用绿色和蓝色LED重复这一过程。根据作者的说法,图像看起来可能是黑白的,但LED发出的三种颜色的光在每张图像的白色部分中被反射出来。因此,在后期处理过程中可以重建全彩图像。

- c7 T4 e8 Q7 S! i$ J$ A

合著者法德尔·阿迪布说:“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制作所有的颜色。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、蓝这三个通道就可以来构建彩色图像。”

1 t9 Y+ v# W) z8 g5 }5 C; _7 h/ U

在图像数据被编码为比特后,传感器依赖于压电声反向散射进行超低功率通信,而不是电池。这种方法不需要生成自己的声学信号(例如声纳),而是依赖于调制入射水下声音的反射来传输数据,一次传输一位。该数据由能够恢复调制图案的远程接收器拾取,然后使用二进制信息来重建图像。作者估计,他们的水下相机的能效大约是同类相机的10万倍,可连续运行数周。

' X( n0 o4 `- \4 I8 w! x$ e0 g

自然,该团队构建了一个概念验证原型,并进行了一些测试来证明他们的方法是有效的。例如,他们在新罕布什尔州东南部的凯泽池塘拍摄了污染(塑料瓶的形式)的图像,以及在“有外部照明的受控环境”中拍摄了一只非洲海星的图像。后一张图像的分辨率,足以捕捉到海星五条臂上的各种结节。

& f# o4 w. B1 _7 u3 N, Q. a8 K* Y" v
2 A+ q* t. S1 P5 \

上图:使用水下反向散射成像获得的样本图像。

/ A; s( N4 ~/ o5 S

该团队还能够使用他们的水下无线摄像机来监测一种水生植物(Aponogeton ulvaceus)的生长,并检测和定位通常用于水下跟踪和机器人操作的视觉标签。该相机实现了高探测率和高定位精度,距离可达3.5米(约11.5英尺);作者建议,使用更高分辨率的传感器可以实现更长的探测范围。根据在马萨诸塞州东部查尔斯河进行的测试,距离也是影响相机能量收集和通信能力的一个因素。正如预期的那样,尽管相机成功地在距离接收器40米(131英尺)的地方传输数据,但这两个关键能力都随着距离的增加而下降。

" } R; n8 j+ \. j

简而言之,研究团队表示:“我们的方法无系绳、廉价和完全集成的特性,使其成为大规模海洋部署的理想方法。”扩展他们的方法需要更复杂和有效的换能器,以及更高功率的水声传输。人们还可以利用海面上现有的网状浮标网络,或者像 Argo Floats 这样的水下机器人网络,来远程为能量采集相机供电。

G/ H4 g" V4 c8 J- P7 s) G

合著者法德尔·阿迪布说:“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。”

+ p4 u \. f* @$ M' s4 |

如果朋友们喜欢,敬请关注“知新了了”!

# Z, u& q4 K) Z9 D% y) C' `3 _- [0 H1 w; L- P W + F* R# A( {+ {; v2 | $ f" Q% }" F* C! a* j" l ) K& W" B2 Y* U2 N' W$ Z2 e$ E/ w8 d3 K3 ~
回复

举报 使用道具

相关帖子

全部回帖
暂无回帖,快来参与回复吧
懒得打字?点击右侧快捷回复 【吾爱海洋论坛发文有奖】
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册
广州老梁
活跃在7 天前
快速回复 返回顶部 返回列表