基于LED的水下目標(biāo)高速攝像照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹曉燕，謝仁富，張彥敏

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

目前，高速攝像技術(shù)已發(fā)展到相當(dāng)水平，攝像機(jī)的分辨率、靈敏度、信號(hào)傳輸性能等都已有較大提高，高速攝像系統(tǒng)在航空航天科技、彈道軌跡研究以及超高質(zhì)量電影拍攝等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著水下應(yīng)用的拓展，高速攝像在水下爆炸、水下武器發(fā)射、水下尾流氣泡試驗(yàn)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣［1－3］。

照明技術(shù)是水下高速攝像中非常重要內(nèi)容，這是由于光在水中傳輸會(huì)受到水下諸多因素的影響使得水下自然光照條件很差，并且由于吸收和散射的影響使得水下傳輸距離非常有限［4－5］。高速攝像的拍攝幀率很高，所以對(duì)照明的要求更高，因而，水下輔助照明系統(tǒng)就成了水下高速攝像系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。

1 水下光學(xué)及水下照明

光在水下的傳播性質(zhì)與在空氣中的傳播性質(zhì)不同，即使是經(jīng)過(guò)過(guò)濾的最純凈的水，它對(duì)光的衰減也是很嚴(yán)重的，因此需要結(jié)合水下光學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行合理的水下照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。水體的光學(xué)性質(zhì)可分為兩類［5］:1)固有光學(xué)性質(zhì)(IOP)，它僅與傳輸介質(zhì)本身的物理特性有關(guān);2)外顯光學(xué)性質(zhì)(AOP)，它決定于水體固有光學(xué)性質(zhì)和與介質(zhì)周圍光場(chǎng)相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)。

固有光學(xué)性質(zhì)主要指水對(duì)光的散射和吸收，散射和吸收作用是光在水中傳播的2 個(gè)基本過(guò)程，它們?cè)斐晒獾乃p。水中光散射是指光在水中傳播時(shí)，受到介質(zhì)微粒的作用，偏離原來(lái)直線傳播的方向，它包括水中的米氏散射、瑞利散射和透明物質(zhì)的折射所引起的隨機(jī)過(guò)程。吸收是光子能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、化學(xué)能等引起的多種熱力學(xué)不可逆過(guò)程。水對(duì)光的吸收在不同的光譜區(qū)域是不同的，具有明顯的選擇性。水對(duì)光譜中的紫外和紅外部分表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收，在可見(jiàn)光譜區(qū)段，吸收最大的分別是紅色、黃色和淡綠光譜區(qū)域。純凈水和清的大洋水在光譜的藍(lán)－綠區(qū)域透射比量大，其中波長(zhǎng)462 ～475 nm 的藍(lán)光衰減最少，因此，在水下照明應(yīng)用時(shí)應(yīng)盡量選擇藍(lán)綠光作為水下照明。

水中拍攝的照片的對(duì)比度比陸地上的低很多［6］。在沒(méi)有自然光照明的情況下，水下光源便成為水下攝像時(shí)不可缺少的裝置，在選擇水下照明設(shè)備時(shí)，必須考慮到光的波長(zhǎng)分布范圍、介質(zhì)的光學(xué)特性以及攝像設(shè)備的靈敏度。藍(lán)光LED 在水中具有較強(qiáng)的穿透能力，兼具壽命長(zhǎng)、環(huán)保、可靠性高、無(wú)頻閃，低溫啟動(dòng)快等特點(diǎn)，能夠獲得良好的照明效果，因此非常適合應(yīng)用于水下照明。

2 水下高速攝像系統(tǒng)

本文的水下高速攝像系統(tǒng)主要用于某水池內(nèi)水下發(fā)射裝置的試驗(yàn)拍攝。整個(gè)系統(tǒng)主要包括:高速攝像機(jī)、水下專用鏡頭、水下照明燈陣列、控制與數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等，水下高速攝像系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 水下高速攝像系統(tǒng)框圖Fig.1 Skeleton drawing of underwater high-speed photography system

3 水下照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該水下照明系統(tǒng)主要用于配合水下高速相機(jī)拍攝水下的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，水下高速相機(jī)的拍攝速度超過(guò)1 000 fps。照明的目標(biāo)區(qū)域?yàn)? m×30 m 的狹長(zhǎng)區(qū)域，系統(tǒng)設(shè)備在拍攝時(shí)有可能會(huì)受到水下目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊。水下照明系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括包括水下LED 照明燈陣列及其安裝附件、水面轉(zhuǎn)接箱、水下照明電源配電柜、水密電纜以及岸上電纜。

考慮水下照明的特點(diǎn)，并結(jié)合高速攝像的要求，本水下照明系統(tǒng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面:照明燈的光束角、照明燈的總功率、照明燈的部署距離、照明區(qū)域要求達(dá)到的照度。

3.1 照明燈的部署距離

照明燈與目標(biāo)面的距離直接關(guān)系到照明的整體效果，由于水體的散射和吸收，水下照明對(duì)照射距離十分敏感。燈具與目標(biāo)越近，衰減越小，目標(biāo)受光面所獲得的照度越高，對(duì)高速成像就越有利［6－7］。但是，燈具過(guò)于靠近目標(biāo)則容易受到高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的沖擊，嚴(yán)重時(shí)有可能損壞燈具。因此，根據(jù)攝像系統(tǒng)的照度要求以及燈具總功率的推算，確定燈具安裝位置距目標(biāo)面為5 m。

圖2 水下照明系統(tǒng)原理圖Fig.2 Diagram of underwater lighting system

3.2 目標(biāo)區(qū)域的照度

對(duì)于高速相機(jī)與水下照明系統(tǒng)而言，另一個(gè)重要的方面是水下高速相機(jī)的感光度(靈敏度)和目標(biāo)區(qū)域水下照明的照度(或亮度)的配合。經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)驗(yàn)證并結(jié)合關(guān)于在一定高速攝像速率、一定高速相機(jī)靈敏度、一定拍攝距離(如上面建議的5 m距離)條件下的科學(xué)計(jì)算，高速相機(jī)的感光度在6 000 ～10 000 ISO 條件下，在拍攝速率1 500 ～2 000 fps 時(shí)，高速相機(jī)正對(duì)目標(biāo)區(qū)域的照度如果達(dá)到200 ～400 lx 以上將會(huì)產(chǎn)生良好的高速攝像拍攝效果。因此，目標(biāo)區(qū)域的平均照度要求不低于400 lx。

3.3 照明燈的光束角及部署

燈具光束角的設(shè)計(jì)與燈具陣列的排列及攝像機(jī)的安裝位置應(yīng)綜合考慮，盡量減小水下光線散射對(duì)攝像的影響［7］。本文的照明方案如圖3所示，在垂直方向上，每盞池內(nèi)照明燈的光束角為30°，照明燈距離目標(biāo)面5 m，水下照明燈覆蓋30 m 的垂直區(qū)域。左右2排照明燈陣列交叉布置在高速相機(jī)的兩側(cè)，左側(cè)部署12 盞光束角為30°的照明燈，右側(cè)部署12 盞光束角為30°的照明燈，這樣可以完整覆蓋30 m 的垂直區(qū)域。左側(cè)照明燈與右側(cè)照明燈之間的高度錯(cuò)開(kāi)1.2 m，這樣兩側(cè)的照明燈均存在水平和垂直面上的照明區(qū)域交叉，從而盡量做到照明的均勻。

在水平方向上，將照明燈部署在距目標(biāo)中心5 m的圓周邊，根據(jù)相關(guān)的光學(xué)計(jì)算(照度、均勻性)結(jié)果，適當(dāng)對(duì)照明燈的實(shí)際部署情況進(jìn)行調(diào)整分析。照明燈部署在水下高速相機(jī)的兩側(cè)，照明燈可以與高速相機(jī)部署在同側(cè)，也可以在控制直射光的條件下，將照明燈部署在高速相機(jī)的對(duì)面兩側(cè)。

圖3 照明燈部署圖Fig.3 Dispose of LED arrays

4 光學(xué)仿真

本水下照明系統(tǒng)總共部署24 盞池內(nèi)照明燈，每盞照明燈的功率為420 W，已知照明距離、目標(biāo)面照度要求，就可以通過(guò)光學(xué)計(jì)算工具和光學(xué)建模對(duì)各參數(shù)進(jìn)行更改、優(yōu)化。圖4 為光學(xué)仿真的流程圖。圖5 為水下照明燈反光杯的光學(xué)特性曲線。

圖4 光學(xué)仿真流程圖Fig.4 Flowchart of Optical simulation

圖5 反光杯的光學(xué)特性曲線Fig.5 Optical characteristic of curve reflecting cup

4.1 單盞燈具垂直照明特性

4 個(gè)約100 W 的LED 組成模塊與目標(biāo)面的垂直距離為7 m 時(shí)，LED 陣列垂直照明在目標(biāo)面上的照度如圖6所示，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的收光效率為96.5%。

圖6 LED 垂直照射時(shí)目標(biāo)面上的照度圖(L=7 m)Fig.6 LED array vertical illumination in the target surface illumination map(L=7 m)

4.2 單盞燈具斜向照明特性

當(dāng)LED 陣列與目標(biāo)面的距離為7 m，并且與目標(biāo)面法線的夾角為30°，在目標(biāo)面上形成的照度分布如圖7所示。從圖中可以看出，其照度分布左右不均勻，左邊的照度明顯高于右邊照度，光通量為35 775 lm，到達(dá)目標(biāo)面上的效率為91.6%。圖8 為在照明距離為5 m 下形成的照度分布圖，比較可看出，在照明距為5 m 的情況下，照明光斑無(wú)法充滿整個(gè)4 m 寬的目標(biāo)區(qū)域，因此若采用照明距5 m，會(huì)導(dǎo)致均勻性下降。

圖7 LED 斜照明在目標(biāo)面上的照度圖(L=7 m)Fig.7 LED array oblique illumination in the target surface illumination map(L=7 m)

圖8 LED 斜照明在目標(biāo)面上的照度圖(L=5 m)Fig.8 LED array oblique illumination in the target surface illumination map(L=5 m)

4.3 燈具陣列照明

圖9 為多排LED 陣列斜照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，一側(cè)LED 燈具為12 個(gè)，另一側(cè)LED 燈具為11 個(gè)。照明燈從兩側(cè)斜±30°入射到目標(biāo)面上。圖10 為在4 m×30 m 大小的目標(biāo)面上形成的照度圖，平均照度值為7 178.6 lx，最小照度為5 800.2 lx，均勻性為80.8%，最終到達(dá)該目標(biāo)區(qū)域上的光效率為88.7%。從圖11 可看出，在目標(biāo)面中心照度最高，而邊緣區(qū)域的照度下降較為緩慢。

圖9 多排LED 陣列斜照明系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of multiple rows LED array oblique incident illumination system

圖10 LED 陣列斜照明在目標(biāo)面上的照度圖(照明距離7 m，30°傾角入射)Fig.10 LED array oblique illumination in the 4 m×30 m target surface illumination map(L=7 m，angle 30)

圖11 照度分布圖Fig.11 Illuminance distribution map

照明燈從兩側(cè)斜±45°入射到目標(biāo)面上。圖12為在4 m×30 m 大小的目標(biāo)面上形成的照度圖，平均照度值為6 480.3 lx，最小照度為5 527.2 lx，均勻性為85.3%，最終到達(dá)該目標(biāo)區(qū)域上的光效率為79.8%。從圖13 可以看出，在目標(biāo)面中心照度最高，而邊緣區(qū)域的照度下降較為緩慢。

圖12 LED 陣列斜照明在目標(biāo)面上的照度圖(照明距離7 m，45°傾角入射)Fig.12 LED array oblique illumination in the 4 m×30 m target surface illumination map(L=7 m，angle 45°)

圖13 照度分布圖Fig.13 Illuminance distribution map

系統(tǒng)仿真總效率估算如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真總效率估算Tab.1 Estimate the total efficiency of system simulation

5 試驗(yàn)與結(jié)果

在某水池內(nèi)進(jìn)行了水下高速攝像照明系統(tǒng)試驗(yàn)。試驗(yàn)的相機(jī)為美國(guó)IDT 公司的Y3－S1 高速相機(jī)，鏡頭為最大光圈為F/1.8 的水下專用鏡頭，照明燈為400 W 的水下LED。進(jìn)行了不同目標(biāo)距離不同入射方向角、順光、逆光條件下的試驗(yàn)，圖14 為照射距離分別為5 m和7 m 時(shí)高速相機(jī)拍攝到的圖像。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，相同的照明燈，相同的照射距離，對(duì)于與拍攝水中氣泡來(lái)說(shuō)逆?zhèn)裙馀臄z的效果比順測(cè)光的效果好。

圖14 水下高速攝像系統(tǒng)試驗(yàn)拍攝到的照片F(xiàn)ig.14 Images of underwater high-speed camera system test

6 結(jié) 語(yǔ)

LED 取代現(xiàn)有的光源已是當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)，在室內(nèi)照明、路燈、車燈及其他領(lǐng)域都有許多設(shè)計(jì)的案例，在水下照明領(lǐng)域相關(guān)的研究和討論還較少［5，8］。

針對(duì)水下光學(xué)的性質(zhì)和水下照明的特點(diǎn)，本文提出了基于LED 的水下目標(biāo)高速攝像照明系統(tǒng)方案并對(duì)某典型水下高速攝像照明系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)不同配置的LED 陣列進(jìn)行了光學(xué)計(jì)算及仿真，得出了最佳的照射距離及光源角度配置。水下高速攝像系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果為大范圍水下高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)觀測(cè)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］沈凌敏，何俊華，張琦，等．水下微光高速攝像系統(tǒng)在潛艇試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(11):55－58．

SHEN Ling-min，HE Jun-hua，ZHANG Qi，et al．Application of underwater low-light-level high-speed photograph system in submarine［J］．Ship Science and Technology，2009，31(11):55－58．

［2］汪斌，張光升，高寧，等．高速攝影技術(shù)在水下爆炸氣泡脈動(dòng)研究中的應(yīng)用［J］．含能材料，2010，18(1):102－106．

WANG Bin，ZHANG Guang-sheng，GAO Ning，et al．Application of high-speed photography in bubble oscillation at underwater explosion［J］．Chinese Journal of Energetic Materials，2010，18(1):102－106．

［3］洪江波，李海濤，朱錫，等．水下爆炸的高速攝影測(cè)試技術(shù)研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(05):82－86．

HONG Jiang-bo，LI Hai-tao，ZHU Xi，et al．High-speed photographic investigation of bubble induced by underwater explosion［J］．Journal of Wuhan University of Technology，2008，30(5):82－86．

［4］孫傳東，陳良益，高立民，等．水的光學(xué)特性及其對(duì)水下成像的影響［J］．應(yīng)用光學(xué)，2000，21(4):39－46．

SUN Chuan-dong，CHEN Liang-yi，GAO Li-min，et al．Water optical properties and their effect on underwater imaging［J］．Journal of Applied Optics，2000，21(4):39－46．

［5］樓志斌．半導(dǎo)體照明技術(shù)在水下探測(cè)設(shè)備中的應(yīng)用研究［J］．船舶工程，2011，33(6):12－14．

LOU Zhi-bin．Research ＆ application of solid state lighting in underwater exploration equipment［J］．Ship Engineering，2011，33(6):96－99．

［6］張法全，王國(guó)富，葉金才，等．水下光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)照明方式的研究［J］．光子學(xué)報(bào)，2011，40(7):1061－1065．

ZHANG Fa-quan，WANG Guo-fu，YE Jin-cai，et al．Lighting pattern of underwater optical monitoring system［J］．Acta Photonica Sinica，2011，40(7):1061－1065．

［7］張利，孫傳東，何俊華．光源角度配置對(duì)水下成像圖像質(zhì)量影響的研究［J］．應(yīng)用光學(xué)，2010，31(4):579－583．

ZHANG Li，SUN Chuan-dong，HE Jun-hua．Impact of light source angle on imaging quality of underwater imaging systems［J］．Journal of Applied Optics，2010，31(4):579－583．

［8］SHEN S C，HUANG H J，CHAO C C，et al．Design and analysis of a high-intensity LED lighting module for underwater illumination［J］．Applied Ocean Research，2013(39):89－96．