水下無人作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

梁克

摘 要：隨著開發(fā)海洋、江河與湖泊科學(xué)事業(yè)的發(fā)展，水下工程的規(guī)模越來越大，水下攝像機(jī)技術(shù)已成為開發(fā)水域的眼睛，其應(yīng)用已越來越廣泛，本文根據(jù)水下作業(yè)環(huán)境特點對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了性能分析，并對水下監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行研究和必要探討。

關(guān)鍵詞：水下攝像機(jī) 水下光源 監(jiān)控系統(tǒng) 無人作業(yè)

隨著開發(fā)海洋、江河與湖泊科學(xué)事業(yè)的發(fā)展，水下工程的規(guī)模越來越大，水下攝像機(jī)技術(shù)已成為開發(fā)水域的眼睛，其應(yīng)用已越來越廣泛。尤其是在水下沉船打撈及水下特種作業(yè)時，作業(yè)人員更加需要依靠水下攝像機(jī)技術(shù)獲得水下直觀的實時監(jiān)控圖像，以保證水下作業(yè)的安全性和可靠性。水下攝像機(jī)技術(shù)已成為水下作業(yè)時不可缺少的重要工具，本文根據(jù)水下作業(yè)環(huán)境特點對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了性能分析，并對水下監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行研究和探討，為水下無人作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)提供新思路和參考。

技術(shù)選擇及特性分析

1、水下攝像機(jī)

目前，隨著光電技術(shù)的發(fā)展和超聲波技術(shù)的發(fā)展，以及各種新型的攝像元器件的不斷出現(xiàn)，水下攝像機(jī)的性能進(jìn)一步提高，適應(yīng)各種惡劣工作環(huán)境，擴(kuò)大了實用范圍。按照工作原理，水下攝像機(jī)分為水下可見光攝像機(jī)、水下激光攝像機(jī)和水下超聲波攝像機(jī)。

1.1水下可見光攝像機(jī)

水下可見光攝像機(jī)使用比較普遍，它與陸地上使用的普通攝像機(jī)原理相同。但是水下環(huán)境的特殊性，特別是水介質(zhì)的光學(xué)特性，使得水下成像與陸地上的成像系統(tǒng)大為不同，這其中包括水對光的吸收和散射對光學(xué)成像的影響，水壓和海水的腐蝕等。

水對光的吸收是在不同的光譜區(qū)域是不同的，水對光譜中的紫外和紅外部分表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收。純凈的水和清澈的海水在光譜的藍(lán)-綠區(qū)域透射比最大，但即使在這個藍(lán)-綠窗口，水的吸收也足以使光的強(qiáng)度衰減約0.04/m。其他顏色的光被吸收的更多，幾米之外，幾乎完全消失了。

由于水中存在著懸浮的質(zhì)點， 水對光的散射對圖象的襯比和細(xì)節(jié)都造成極為有害的影響， 隨著拍攝距離的增大， 畫面襯比降低， 影象的細(xì)節(jié)模糊， 影響成象質(zhì)量， 使攝錄變得困難， 所以水下攝錄距離， 一般不超過十幾米. 散射中又包含小粒子散射、大粒子散射、單次散射、多次散射、小角度散射、大角度散射等多種方式， 它們使目標(biāo)變得模糊不清和難以辨認(rèn)， 這是水下光電探測系統(tǒng)所面臨的最為嚴(yán)重的問題。

由于水對光的吸收和散射，使得光在水中傳輸時的能量按指數(shù)規(guī)律迅速地衰減。設(shè)是某水層的光量，傳輸了L路程后的光量I為：■，可見光的光波波長范圍在770～350納米之間，波長不同的電磁波，引起人眼的顏色感覺不同，其中紅光在水中的衰減最大，故在陸地上使用較廣泛的紅外攝像機(jī)在水中幾乎不能用。

1.2水下激光攝像機(jī)

常規(guī)可見光水下攝像機(jī)由于光線在水中快速衰減，在一定深度以下往往需要輔助照明，且由于照明光后向散射的影響，使得人眼直接觀察以及傳統(tǒng)連續(xù)照明電視成像的有效作用距離較短。因此，提高水下光電成像系統(tǒng)的作用距離和細(xì)節(jié)分辨能力需要采用特殊的光電成像方法。由于激光的能量大，且可以選擇水中衰減最小的藍(lán)綠激光，成像效果相對好些，水下激光攝像機(jī)目前正處于研究階段，并已經(jīng)在某些水下場合中得到應(yīng)用。

1.3超聲波水下攝像機(jī)

超聲波水下攝像機(jī)就是成像聲納系統(tǒng)。由于在水下，光學(xué)成像系統(tǒng)的可視距離有限，尤其是當(dāng)水質(zhì)非常渾濁時（比如近海、港口、河口或水底作業(yè)卷起的泥沙等情況下，水質(zhì)非常渾濁）能見度極低，幾乎為零，再加上水體對通過其中的光線的折射及氣泡和浮游物的影響，成像的圖像很難辨別。這就限制了人類利用常用方法對水下世界的感知和理解。不過，在同樣條件下，以聲波作為信號載體的聲成像系統(tǒng)受到的約束就要小的多。聲成像系統(tǒng)能克服復(fù)雜的水文環(huán)境，同時又具有較遠(yuǎn)的作用距離，使得它能在各種規(guī)模的水下探測中應(yīng)用。在低頻段，聲波傳播距離較遠(yuǎn)，可利用聲納回波信號的頻譜等特征進(jìn)行艦船噪聲識別等工作。在高頻段，在近百米的距離上，可實現(xiàn)聲納目標(biāo)成像，從而完成各種水下探測任務(wù)。

2、水下光源

一般來說，太陽光只能達(dá)到水下20～30米，因此水深20～30米以上都應(yīng)使用人工照明，而在透明度惡劣的水域，不到這個深度也需照明。

為了使水下攝像機(jī)的成像效果更好，光源的選擇也很重要。由于在水中波長長的光衰減大，因此，選擇波長短的光源可獲得更佳的照明效果。但是，在透明度較差的港灣和河川中，應(yīng)選擇波長適中的光源，在水中污濁物質(zhì)多的時候，光的散射也多。這樣便要把海洋的場所與狀態(tài)二者結(jié)合起來綜合考慮光源的選擇。

白熾燈輻射光的主要區(qū)域是紅光，對特殊設(shè)計的水下攝像機(jī)攝像機(jī)來說，效率非常低，目前使用的光源主要有碘素石英燈，碘化鉈燈，水銀燈，氙燈以及LED燈等。碘化鉈輻射的光能大部分集中在藍(lán)與綠范圍內(nèi)，水對它吸收很少。水下攝像機(jī)采用這種光源與白熾燈相比，在相同的功率條件下，效率在六倍以上。水銀燈效率也很高。由于它能發(fā)出在水中最易通過的藍(lán)綠色光，因此也得到廣泛應(yīng)用。LED燈可以選擇水下透光最好的藍(lán)綠光LED，并且其節(jié)能效果較好，是正在發(fā)展應(yīng)用的一種水下用燈光。

水對光的光譜吸收相當(dāng)于加一藍(lán)色濾色鏡，引起圖像的彩色失真，故對彩色攝像影響較大，要考慮加以補(bǔ)償，對于一般的黑白電視攝像則不存在這個問題。

在水中，光的吸收和散射會嚴(yán)重地影響到圖像質(zhì)量，因此，除了考慮光源的選擇外，對照明的位置和照射方向也要作種種考慮。在水中，被攝物體的照度與至光源距離的平方成反比。另外，被攝物體的反射系數(shù)越大，則越亮。因為即使光源變得非常強(qiáng)，但由于懸浮微粒的暈光作用也變強(qiáng)，要透過很遠(yuǎn)距離就有困難，為此，照明光源的位置要盡量設(shè)置在被攝物體附近。

3、攝像機(jī)性能分析

根據(jù)以上分析，綜合各種類型水下攝像機(jī)的特點，確定選擇可見光攝像機(jī)和超聲波攝像機(jī)?？梢姽鈹z像機(jī)用在水質(zhì)清澈的情況下，實現(xiàn)近距離觀察作業(yè)狀態(tài)的用途。超聲波攝像機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離觀察和引導(dǎo)水下機(jī)器人的用途，還實現(xiàn)在水質(zhì)渾濁的條件下，輔助觀察作業(yè)狀態(tài)的用途。

水下無人作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)方案

1、系統(tǒng)的主要功能

系統(tǒng)能夠通過聲納技現(xiàn)對水下無人作業(yè)位置區(qū)域精確定位，對作業(yè)信息實時監(jiān)測；主要功能包括：①低可見度/零可見度水下作業(yè)位置的確定；②作業(yè)過程和工作環(huán)境的實時監(jiān)控；③作業(yè)設(shè)備工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。

2、系統(tǒng)組成

根據(jù)無人作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)功能要求，為配合特定作業(yè)系統(tǒng)，需至少配置1臺高分辨率彩色攝像機(jī)、1臺水下照明燈進(jìn)行視頻監(jiān)控，同時配置1臺多波束前視聲吶，用于低可見度/零可見度環(huán)境下的成像探測（見圖1）主要組成部分如下：①水下攝像機(jī)及附件，包括水下攝像機(jī)、攝像機(jī)耐壓殼體及相關(guān)附件、水密接頭和固定結(jié)構(gòu)；②水下照明系統(tǒng)，包括水下照明燈耐壓殼體及相關(guān)附件、水密接頭、照明燈光源及驅(qū)動電路、固定支架；③多波束前視聲吶，包括水下前視聲吶及相關(guān)附件、水密接頭、固定支架；④水下安裝固定及調(diào)節(jié)支架；⑤水下電纜傳輸部分，包括水下攝像機(jī)及照明燈用的水下復(fù)合電纜、聲吶用電纜、水密接頭；⑥水下導(dǎo)向穩(wěn)定系統(tǒng)。

圖1 水下無人作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)組成

結(jié)論

水下無人作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)性能的發(fā)揮一方面依賴設(shè)備本身有良好的特性與功能，另一方面也要依賴設(shè)備良好的布局，所以尋求水下攝像機(jī)、照明系統(tǒng)與多波束前視聲吶的最優(yōu)布局是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，照明燈的位置對于成像質(zhì)量具有關(guān)鍵的影響，不同角度對成像質(zhì)量有較大的影響，要求照明燈盡可能向目標(biāo)靠近。同時，照明燈的布局也要考慮拍攝視場范圍內(nèi)的照明燈光要均勻并且充實。

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[2]屈新岳，宋蕾，于露.海洋光學(xué)特性對水下圖像錄取系統(tǒng)的影響[J].科技信息，2007，（31）：20-84

（作者單位：交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所）endprint