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这种新的超低功率成像方法,采用了水下后向散射成像。 V* M! e- @6 A" C
( H4 D' @& ]7 Z$ l 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。 . j: I( v0 O) L$ z1 M
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。
2 ]; v' M$ u5 F' E2 V1 V 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。
7 M9 |7 n- _2 y+ V6 Z+ 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。 ' [1 w8 D: c; U& Q
2 k0 v. `$ t3 F# C y' u1 H 上图:水下反向散射成像系统如何工作的概述。 # f" w/ \( s" l$ h; u. {. G6 b
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。 ; G* @2 ?& [! {8 n t* u
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。”
" G$ Y6 A# `& m3 S6 L% P6 E 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。
* U6 E# `" z8 z& M! K; o 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。
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上图:使用水下反向散射成像获得的样本图像。
9 U% N d7 b5 O- H5 n 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。 : ~' k: x# m+ L( x
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。
, h! K7 ?0 M3 X! o1 j- V 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。” ! c- g( |% Z6 X3 U
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