開式潛水鐘水下攝像系統(tǒng)設(shè)計

陳 兵，張彥敏，謝仁富

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064）

開式潛水鐘水下攝像系統(tǒng)設(shè)計

陳 兵，張彥敏，謝仁富

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064）

開式鐘潛水具有獨特的性能和優(yōu)勢，在英美等發(fā)達(dá)國家使用廣泛。開式潛水鐘水下攝像系統(tǒng)作為其子系統(tǒng)分散布置在潛水裝具、開式潛水鐘、吊放裝置、水面集中控制臺各分系統(tǒng)中。本文基于新型水下攝像、LED照明技術(shù)設(shè)計出應(yīng)用于開式潛水鐘系統(tǒng)的一種緊湊型、高可靠性水下攝像系統(tǒng)。

開式潛水鐘;水下攝像;通信;LED照明

0 引言

開式潛水鐘 (又稱濕式潛水鐘）是目前世界上五大潛水方式之一，可分為自攜式潛水、管供式潛水、開式鐘潛水、邦司潛水和飽和潛水等［1］。由于開式鐘潛水具有獨特的性能和優(yōu)勢，在英美等發(fā)達(dá)國家得到廣泛使用，并且已進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)與潛水作業(yè)，在英國等國家水深超過45 m如果沒有開式潛水鐘系統(tǒng)保障，潛水員可以拒絕下水。

開式潛水鐘系統(tǒng)具有2種使用功能:一是以開式潛水鐘為核心及其配套的吊放裝置、熱水供給裝置和水面集中控制臺組成的開式潛水鐘系統(tǒng)，用于進(jìn)行60 m以淺空氣開式潛水鐘作業(yè);二是兩用型潛水裝具，除了可以與開式潛水鐘配套使用外還可以用于淺水深度的空氣管供式潛水作業(yè)。此外，該裝具與氦氣回收凈化循環(huán)裝置配套使用可以進(jìn)行大深度氦氧混合氣潛水作業(yè)。

本開式潛水鐘系統(tǒng)在設(shè)計之初便定位于既可以進(jìn)行60 m以淺空氣開式潛水鐘作業(yè)，又可以進(jìn)行100 m以淺的氦氧飽和潛水。本系統(tǒng)是潛水員在水下作業(yè)的中繼站，以及下潛、上浮及水下減壓的運(yùn)載工具，可以增加潛水員的安全感，提高潛水員的水下作業(yè)效率，減輕潛水員的勞動強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)簡述

開式潛水鐘系統(tǒng)由兩用型潛水裝具、開式潛水鐘、吊放裝置、熱水供給裝置和水面集中控制臺5個分系統(tǒng)組成。水下攝像系統(tǒng)作為開式潛水鐘系統(tǒng)的子系統(tǒng)分散布置在潛水裝具、開式潛水鐘、吊放裝置、水面集中控制臺各分系統(tǒng)中。開式潛水鐘系統(tǒng)的組成如圖1所示。

1）潛水裝具

本系統(tǒng)所涉及到的潛水裝具主要是潛水員潛水頭盔 (面罩），頭盔內(nèi)部耳機(jī)和麥克風(fēng)，頭盔頂部水下攝像機(jī)和照明燈。

本開式潛水鐘有2名潛水員，每名潛水員各配置1套水下攝像機(jī)和水下照明燈。

2）開式潛水鐘

開式潛水鐘是開式潛水的載體，涉及到水下攝像系統(tǒng)的包括潛水鐘鐘體、開式潛水鐘臍帶、潛水員臍帶、鐘內(nèi)照明燈、鐘內(nèi)攝像機(jī)、鐘外攝像機(jī)、鐘外照明燈、攝像照明配套電纜等。

3）潛水鐘控制臺

開式潛水鐘作業(yè)所需要的氣、水、電均通過潛水鐘控制臺提供。而針對開式潛水鐘攝像系統(tǒng)來說，潛水鐘所有的供電、視頻均要通過潛水鐘控制臺進(jìn)行控制，吊架攝像機(jī)供電及控制通過潛水鐘控制臺，與潛救指揮中心信息和視頻的雙向傳輸也是通過潛水鐘控制臺。

4）潛水鐘臍帶

潛水鐘臍帶是開式潛水鐘供氣、供水、視頻、通信、供電的中繼。

5）吊放裝置

吊放裝置完成潛水鐘及導(dǎo)纜壓載吊放，吊放裝置包括吊架、主/導(dǎo)絞絞車、液壓泵站、臍帶卷車及操縱用的各類控制器等組成。而在吊放裝置的吊架上專門部署了吊架攝像機(jī)。而吊放裝置中還包括為潛水鐘提供氣、水、電轉(zhuǎn)換的集電環(huán)。

2 系統(tǒng)組成

開式潛水鐘攝像系統(tǒng)主要包括以下組件:

1）攝像系統(tǒng)前端

攝像及通信系統(tǒng)前端設(shè)備包括潛水員攝像機(jī)、潛水員照明燈、水下照明燈、鐘內(nèi)攝像機(jī)、鐘外攝像機(jī)、鐘內(nèi)外照明燈以及吊架攝像機(jī)等。

2）中繼單元

攝像系統(tǒng)中繼單元包括吊放裝置中的集電環(huán)、潛水鐘臍帶、潛水員臍帶、水面轉(zhuǎn)接箱、與潛救指揮中心的視頻通信中繼、光纖轉(zhuǎn)換單元及配套的水面中繼電纜等。

3）控制端

開式潛水鐘攝像系統(tǒng)的控制端有水面控制單元和硬盤錄像機(jī)等，全部設(shè)置于潛水鐘控制臺上。

4）供配電電源及控制部分

供配電電源及控制部分位于潛水鐘控制臺上，包括為攝像機(jī)、照明燈提供的直流遠(yuǎn)程供電電源，還包括為控制端的各控制主機(jī)提供的交流供電電源，包括各供電電源輸出的控制部分。

圖1 開式潛水鐘攝像系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Themonitoring system diagram of opening-diving bell

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

攝像系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:

1）水下低照度視頻成像及字符疊加實時顯示技術(shù)

①CCD攝像機(jī)驅(qū)動電路

本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境為水下低照度環(huán)境，同時應(yīng)用環(huán)境通常受到海水渾濁度的影響。因此，在設(shè)計CCD攝像機(jī)驅(qū)動電路時需要重點考慮該因素。

②OSD技術(shù)

開式潛水鐘攝像系統(tǒng)設(shè)計要求將深度信息疊加顯示在潛水員手持?jǐn)z像機(jī)畫面上，要求將潛救指揮中心傳輸來的水文綜合信息疊加顯示在潛救全景監(jiān)控畫面上。上述疊加信息能夠根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)變化。所有的信息均疊加在基帶傳輸視頻圖像 (同軸傳輸）上，不影響當(dāng)前畫面的顯示。

2）視頻信號遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)

開式潛水鐘攝像系統(tǒng)采用視頻信號與電源共纜傳輸，存在一定的信號干擾;視頻信號在低照度條件下獲取，視頻信號相對較弱;信號傳輸距離相對較遠(yuǎn)，視頻信號衰減相對較大。因此，在本系統(tǒng)設(shè)計中對于視頻信號，結(jié)合抗干擾、抗衰減、提高遠(yuǎn)傳能力的思想，前端 (潛水員端）視頻信號經(jīng)過非平衡轉(zhuǎn)平衡信號采用雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)傳，在后端控制臺上的水面控制單元處將平衡傳輸信號轉(zhuǎn)換為非平衡信號通過同軸電纜傳輸顯示［2］。

3）海水深度測量及多機(jī)通信技術(shù)

①壓力傳感器信號放大、采集、處理電路

對于海水壓力感應(yīng)，數(shù)字式壓力傳感器是一個理想的解決方案，在此，要求壓力傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、低溫漂 (帶溫度補(bǔ)償）且還要耐海水腐蝕。

②多機(jī)通信

本系統(tǒng)的多機(jī)通信主要是針對水面控制單元與潛水員1、潛水員2、潛救指揮中心三方的雙向數(shù)據(jù)通信。通信內(nèi)容是水面控制單元對潛水員1和2的控制以及潛水員1、2深度值向水面控制單元的抄報。

4 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

攝像系統(tǒng)主要包括潛水員攝像機(jī)設(shè)計和水下照明燈設(shè)計。

4.1 潛水員攝像機(jī)設(shè)計

潛水員水下攝像機(jī)內(nèi)部集成了攝像機(jī)機(jī)芯、鏡頭、深度傳感器及信號處理電路、視頻信號遠(yuǎn)距離傳輸模塊、相應(yīng)的電路板以及承壓水密部件。

1）攝像機(jī)機(jī)芯及鏡頭的選型

本攝像機(jī)采用Sony機(jī)芯，它具有600TV線的水平清晰度，傳感器的最低照度為0.03 Lux，攝像機(jī)機(jī)芯布置緊湊，整體尺寸為32 mm×32 mm。

攝像機(jī)鏡頭采用焦距為f=2.8 mm的廣角鏡頭，滿足大視場的觀察要求，其觀察角度可以達(dá)到80°左右。

2）壓力傳感器選型及信號調(diào)理［3］

本系統(tǒng)采用的 NS－3壓力傳感器量程為0－1.25 MPa(表壓），精度為0.3%。壓力傳感器的輸出信號 (經(jīng)過壓電轉(zhuǎn)換）為mV信號，NS－3出廠檢測結(jié)果表明:在1.25 MPa壓力下，其最大輸出為47.06 mV。在進(jìn)入MCU單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣前，必須對此mV信號進(jìn)行驅(qū)動放大。

另一方面，結(jié)合壓力傳感器的使用，每個壓力傳感器和控制及處理電路還需要進(jìn)行2個方面的調(diào)整:一方面是壓力傳感器零點的調(diào)零，另一方面是最大深度時最大測量值的統(tǒng)一，從而實現(xiàn)2個潛水員所配置深度測量單元輸出值的一致性。

信號的放大處理至為重要，其好壞直接影響整個測量系統(tǒng)的精度。由于該傳感器為橋式差分輸出，同時考慮到傳感器制作工藝及自身性能對放大電路造成的“零點變化”問題，因此考慮采用具有“零點調(diào)節(jié)”功能的儀表放大電路。再結(jié)合考慮諸如芯片封裝、性能參數(shù)、外接電路的復(fù)雜性等因素，考慮基于MAX4461HEUT－T和LM7301M5來搭建放大電路。MAX4461H內(nèi)部邏輯如圖2所示。

圖2 壓力傳感器信號調(diào)理電路Fig.2 The signal regulation circuit of pressure sensor

MAX4461HEUT－T是采用間接電流反饋結(jié)構(gòu)所設(shè)計的新型儀表放大器，出廠時的缺省增益為100，封裝形式為6SOT23－6。利用 LM7301M5來構(gòu)建第2級放大電路，其作用有2個:一是放大作用，將該級達(dá)到增益控制在1～1.5之間;二是“零點調(diào)節(jié)”功能，補(bǔ)償由于傳感器制作工藝及自身性能對放大電路所造成的“零點變化”問題。

3）字符疊加模塊

視頻信號字符疊加模塊［4］基于美信公司的單通道單色隨屏顯示 (OSD）發(fā)生器MAX7456搭建。它負(fù)責(zé)將深度傳感器測量到的深度值 (經(jīng)過MCU采樣）及相應(yīng)的潛水員編號疊加到前端攝像機(jī)機(jī)芯輸出的圖像上，然后傳輸給雙絞線轉(zhuǎn)換接口板。

MAX7456芯片集成了外同步視頻驅(qū)動、信號分離器、視頻切換與EEPROM等模塊，所需外圍電路較少，實現(xiàn)簡單，可自動識別NTSC和PAL制信號，適合在全球電視行業(yè)使用，且用戶可通過SPI串行接口預(yù)加載自定義的256個字符，用戶可以根據(jù)需要任意調(diào)用或改寫其內(nèi)部字符存儲其中的內(nèi)容。

圖3 潛水員攝像機(jī)字符疊加電路Fig.3 The character overlapped circuit of diver camera

4）視頻信號遠(yuǎn)距離傳輸模塊

本系統(tǒng)采用EL5171和EL5172構(gòu)成的中短距離傳輸有源發(fā)送器和接收器實現(xiàn)視頻信號的遠(yuǎn)距離雙絞線傳輸。有源發(fā)送器和接收器，除了匹配轉(zhuǎn)換外，還可放大信號并進(jìn)行頻率補(bǔ)償，提高畫面的清晰度。

5）單片機(jī)控制模塊

圖4 EL5171與EL5172構(gòu)成雙絞線發(fā)送器和接收器傳輸系統(tǒng)Fig.4 The twisted-pair transmission and receiving system based on EL5171 and EL5172

綜合考慮系統(tǒng)的硬件設(shè)計需求，潛水員水下攝像機(jī)采用單片機(jī) (MCU）作為控制及處理板的控制核心，模塊中的MCU選用PIC16F873，它也是整個潛水員水下攝像機(jī)的核心，它對深度傳感器的測量輸出 (mV信號）進(jìn)行采樣計算轉(zhuǎn)換為深度值，它控制視頻信號的OSD字符疊加，同時控制潛水員水下攝像機(jī)與水面控制單元的串口通信。

圖5 潛水員水下攝像機(jī)控制模塊Fig.5 The controllingmodule of divers'underwater camera

4.2 水下照明燈的設(shè)計

對于水下攝像來說，攝像機(jī)與照明燈［5－7］的配合是一個非常重要的環(huán)節(jié)，它關(guān)系到水下成像的質(zhì)量，同時照明也嚴(yán)重影響到潛水鐘、潛水員水下作業(yè)的能力。

一方面，不同的水下攝像機(jī)所需要配置的照明燈的性能指標(biāo)也不同;另一方面，根據(jù)照射距離，照射角度要求的不同，照明燈的性能指標(biāo)也會表現(xiàn)出較大的需求差異，同時還要結(jié)合考慮到水下照明時海水對光的傳輸衰減。

本系統(tǒng)采用的攝像機(jī)圖像傳感器的最低照度為0.03 Lux，也就是像面最低照度為Efp=0.03 Lux。

水下的觀測距離約為1.6 m(按2 m算），攝像機(jī)觀測角度80°，水下照明燈的照射角度約為80°。

假設(shè)目標(biāo)外表面特性接近于朗伯漫射體，目標(biāo)的照度為Esc。

其中:F=0.28，為鏡頭的光圈值;ρ=0.2，為目標(biāo)的反射率;τ=0.85，為光學(xué)透鏡的透過率;a=0.22，為近海光學(xué)吸收系數(shù)。

即2 m外的被攝目標(biāo)的照度為10 Lux，由此可推算攝像機(jī)附近配置的照明等所需要的功率和光通量。

由于潛水員攝像機(jī)和照明燈安裝距離很近，水下輔助照明和水下攝像機(jī)可以認(rèn)為它們距水下目標(biāo)的距離相等，由此可對水下輔助照明燈的亮度進(jìn)行估算。

水下輔助照明燈的發(fā)光強(qiáng)度I0由下式計算:

設(shè)光源的照射角度80°，則該范圍各方向上均勻發(fā)光，則光通量為

考慮到照明燈的透光率為75%，電氣效率為80%，并采用新型LED照明燈光源的長期功效為60 lm/W。將LED光源功率選擇為10 W。但本設(shè)計中，為了保證有足夠的照明余度，以及照明區(qū)域邊沿的亮度，選擇照明燈的功率提升至12～13W。

5 系統(tǒng)海上試驗

開式潛水鐘攝像系統(tǒng)交付后，先后完成了聯(lián)調(diào)試驗、系泊試驗、航行試驗等，順利交付海軍部隊。

系統(tǒng)交付過程中先后解決了一系列的問題，如臍帶電纜雙絞線視頻傳輸阻抗匹配問題，水面單元視頻接口模塊高頻補(bǔ)償、自激振蕩問題，深度傳感器測量值與壓力表深度讀書偏差問題，與潛救指揮中心視頻雙向傳輸問題等。海上航行試驗在南海海域完成，潛水中順利吊放至水下60 m，過程中各路視頻信號正常，各路雙向通信信號正常，與潛救指揮中心的視頻、信息傳輸顯示正常。過程中視頻畫面所疊加的深度、水文信息顯示正常，各項深度測量值一致性強(qiáng)，深度測量值在誤差允許的范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

各項試驗結(jié)果表明:

1）系統(tǒng)所有技術(shù)指標(biāo)滿足開式潛水鐘攝像系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書的要求。

2）系統(tǒng)操作簡單、使用方便，圖像清晰、直觀，能夠有力保障開式潛水鐘系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高了水下作業(yè)的安全性和作業(yè)效率。

3）系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，維修保養(yǎng)方便、快捷，系統(tǒng)的升級能力較強(qiáng)。

本系統(tǒng)的成功研制為開拓水下作業(yè)工具市場奠定了基礎(chǔ)，將來可以進(jìn)一步為海洋開發(fā)、海洋石油勘探、潛水打撈、水下作業(yè)等提供全面的解決方案。

［1］張劍，冶建宏，楊茂，等.開式潛水鐘的研制［J］.中國救助與打撈，2004，28(3）:25.

［2］吳海濱，唐磊，吳彬.監(jiān)控系統(tǒng)中視頻信號的雙絞線傳輸［J］.安徽教育學(xué)院學(xué)報，2004，25(3）:38 －40.

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［7］JAFFE J S.Computer modeling and the design of optimal underwater imaging systems［J］.Oceanic Engineering，1990，15(2）:101 －111.

Design of underwater monitoring system for opening-diving bell

CHEN Bing，ZHANG Yan-min，XIE Ren-fu
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

The opening-diving bell has unique properties and advantages in developed countries such as Britain and America，in these countries which is widely used.The underwater videotape system is the subsystem of the opening-diving bell system，it is dispersion in every diving apparatus，opening-diving bell;sling the device and the centralized control console each subsystem.This paper，based on the new underwater camera，LED lighting technology，we designed a compact，high reliability underwater videotape system.

opening-diving bell;underwater videotape;LED lighting

TM923.56

A

1672－7649(2014）05－0135－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.028

2013－06－13;

2013－08－02

陳兵(1979－），男，碩士，工程師，從事安全防范系統(tǒng)設(shè)計。