声学技术为无线水下摄像机供能，能源效率提高十万倍

声学工程师小吴 2022年9月30日浏览：1862 评论：15

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。