水下照明與攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方勇

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌443003）

0 引言

海洋開發(fā)、水下作業(yè)、大壩水下檢查、水下科學(xué)試驗(yàn)以及軍事應(yīng)用等，常常需要利用水下攝像機(jī)進(jìn)行水下目標(biāo)觀測［1］。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)和數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字視頻壓縮技術(shù)、圖像獲取和記錄技術(shù)、高分辨率的CCD傳感器及小型低成本的視頻攝像機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等被廣泛用于水下攝像機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中。美國、法國和俄羅斯已開發(fā)了多型水下攝像機(jī)，應(yīng)用于資源勘探、科學(xué)考察和打撈作業(yè)［2－3］。20 世紀(jì)90 年代初，我國也相繼投入大量的人力和物力進(jìn)行水下攝像機(jī)的研究開發(fā)。

本文設(shè)計(jì)了一種用于水下工程的水下照明與攝像系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用多臺水密攝像裝置進(jìn)行水下布陣，獲得高清晰的視頻圖像，實(shí)現(xiàn)對水下物體運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作的不間斷觀察；水密照明裝置能夠提供足夠的目標(biāo)照度；具有集中控制、深度檢測和漏水報(bào)警等功能，已在水下工程中實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

水下照明與攝像系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由水密攝像裝置、水密照明裝置、升降機(jī)構(gòu)、接口箱、電控及監(jiān)視設(shè)備等組成。升降機(jī)構(gòu)由升降架、升降軌道、絞車等組成，每一個(gè)升降架上安裝1臺水密攝像裝置和2套水密照明裝置，通過上下移動(dòng)升降架調(diào)整水下攝像的位置和深度。水密攝像裝置和水密照明裝置通過1根水密電纜與控制臺相連，由控制臺給水下設(shè)備供電，水下視頻信號、深度信號和漏水報(bào)警信號等也通過水密電纜傳輸給控制臺，控制臺可以實(shí)時(shí)顯示、記錄水下視頻圖像［4］。

圖1 水下照明與攝像系統(tǒng)組成圖

2 水密攝像裝置

水密攝像裝置用于系統(tǒng)水下攝像，由水密耐壓筒體、攝像機(jī)、水密光窗、壓力變送器、漏水報(bào)警電路等組成。水密耐壓筒體為攝像裝置提供水密的安裝空間［5］，攝像機(jī)采用高靈敏度高分辨率彩色攝像機(jī)、廣角鏡頭［6］，前面安裝專為水下應(yīng)用而特制的水密光窗。水密攝像裝置內(nèi)裝有漏水報(bào)警裝置，漏水時(shí)能及時(shí)報(bào)警并自動(dòng)切斷電源，以確保試驗(yàn)設(shè)備和人員的安全。水密攝像裝置內(nèi)安裝壓力變送器，用于測量攝像機(jī)的工作水深。水密攝像裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水密攝像裝置結(jié)構(gòu)圖

3 水密照明裝置

水密照明裝置用于系統(tǒng)水下攝像的照明，在水下攝像范圍內(nèi)提供足夠的目標(biāo)照度，以保證水下視頻圖像的質(zhì)量，選用鹵鎢燈作為光源。水密照明裝置主要由水密耐壓殼體、水密光窗、燈泡、燈座等組成，具有壽命長、工作可靠、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以在水下長時(shí)間連續(xù)工作。水密照明裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水密照明裝置結(jié)構(gòu)圖

4 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)由升降架、升降軌道、絞車等組成，每一個(gè)升降架上安裝1臺水密攝像裝置和兩套水密照明裝置，通過上下移動(dòng)升降架調(diào)整水下攝像的位置和深度。升降導(dǎo)軌包括2根固定滑軌、4個(gè)滑輪和滑輪固定架，既可為升降架的上下移動(dòng)提供軌道，又可限制升降架的前后及左右位移，保證水密攝像裝置及水密照明裝置相對固定在所需的位置和深度。升降架采用不銹鋼型材焊接而成，主要用來固定水密攝像裝置和水密照明裝置，中間布置水密攝像裝置，上下各布置1個(gè)水密照明裝置，攝像裝置與照明裝置的間距為1m。水密攝像裝置和水密照明裝置的電纜跨過一個(gè)轉(zhuǎn)向滑輪后與絞車連接，通過轉(zhuǎn)動(dòng)絞車，就可實(shí)現(xiàn)升降架的上下移動(dòng)，使攝像機(jī)定位在所需深度。

5 電控及監(jiān)視設(shè)備

水下照明與攝像系統(tǒng)的電控部分主要包括電源、控制臺及電纜分配器等。系統(tǒng)供電由配電房引至集中控制室。為保證人員與設(shè)備的安全及系統(tǒng)供電電壓均衡，在控制柜安裝隔離變壓器，為整個(gè)系統(tǒng)所有設(shè)備提供穩(wěn)定的380V/220V三相四線制交流電源。

漏水報(bào)警：漏水報(bào)警板安裝在水密攝像裝置內(nèi)，當(dāng)水密攝像裝置漏水時(shí)，繼電器動(dòng)作輸出開關(guān)量到集中控制柜。

深度測量：水密攝像裝置內(nèi)安裝壓力變送器，測量攝像機(jī)的工作水深，并在控制臺上實(shí)時(shí)顯示。

控制臺主要作用是控制、監(jiān)視水下照明與攝像過程。本系統(tǒng)所有水下部分漏水報(bào)警，都可通過指示燈在控制臺上顯示出來，當(dāng)水密攝像裝置漏水時(shí)，繼電器動(dòng)作斷開水密攝像裝置電源，同時(shí)通過控制臺的指示燈和蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警。

監(jiān)視設(shè)備安裝在控制臺上，它可以實(shí)時(shí)顯示、記錄水下視頻圖像，記錄的視頻圖像在需要時(shí)可以隨時(shí)調(diào)取。

6 結(jié)語

水下照明與攝像系統(tǒng)能夠不間斷地觀察水下物體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作，獲得高清晰的視頻圖像，保證了水下工程的順利開展。該系統(tǒng)已多次在水下試驗(yàn)和水下作業(yè)中應(yīng)用，取得了良好的效果。

［1］ 宋成慶.談普及型水下攝像機(jī)在我國海洋開發(fā)中的應(yīng)用［J］.海洋技術(shù)，2000（2）：46-49.

［2］ 何邁.水下攝像（水下電視、鉆孔電視）在工程中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001（10）：1842-1843.

［3］ 沈凌敏.水下微光高速攝像系統(tǒng)在潛艇實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009（11）：55-58.

［4］ 吳中平.水下電視攝像與照明系統(tǒng)［J］.電視技術(shù)，1999（9）：56-58.

［5］ 何福志.耐壓液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性［J］.船舶力學(xué)，2009（6）：915-922.

［6］ 孫傳東.水的光學(xué)特性及其對水下成像的影響［J］.應(yīng)用光學(xué)，2000（4）：39-46.