三自由度水下攝像照明系統設計

朱春麗1，賈 鵬，尹 豐1，房 麗，王 剛

(1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028； 2.哈爾濱工程大學 機電工程學院，哈爾濱 150001)

隨著國家戰(zhàn)略的支持和各大石油公司以及高校研究所的深入研究，淺海區(qū)域的油氣開采規(guī)模不斷擴大。目前，淺海區(qū)域的油氣開采技術已經基本成熟，短時間內仍然是海洋資源主要的發(fā)展方向。隨著淺水油氣開采力度的加大，淺水油氣資源也在不斷消耗。所以，各大石油公司對于深水油氣資源的開發(fā)也在同時進行[1-2]。作為目前深海油氣田開發(fā)的主流形式，水下生產系統得到了廣泛應用。油氣開采的水深不斷加大，離岸距離也逐漸增加，水下生產系統面臨的問題也越來越多，例如，海底環(huán)境的洋流和暗流引起的沖刷、海洋生物引起的腐蝕和污損[3-4]等因素都會對水下生產系統產生破壞。所以，對水下生產系統進行實時監(jiān)測，保障水下生產系統正常、穩(wěn)定的工作是十分必要的。

孫傳東等人針對水下電視的保護罩結構設計和攝像鏡頭組的分布進行了試驗研究，結果表明，玻璃半球可以替代普通平鏡玻璃作為防水密封玻璃，有效改善了由于水介質折射引起的圖像畸變問題[5]。沈凌敏等人通過計算水下30～40 m微光條件下目標物與成像系統的光照度需求，設計出使用1臺攝像機搭配4臺照明燈工作的方案，并通過試驗分析了照明燈后向散射對于成像質量的影響，從而得出了不可將照明燈與攝像機安裝在同一位置的結論[6]。張利等人通過推導圖像的襯度和信噪比傳遞函數，得知在成像距離不變條件下增大光源角度，可使圖像的襯度和信噪比增大,并利用試驗證明光源角度配置對圖像質量的影響，與理論分析一致[7]。本文基于閉路成像技術視頻成像技術、設計了一種用于對水下生產系統進行視頻監(jiān)測的水下照明攝像系統，采用水下照明燈為目標物提供足夠的照度，配合攝像機進行工作，從而獲得高清晰度的視頻圖像，實現對水下生產系統360°全視角的視頻監(jiān)測，具備多角度、全方位定點監(jiān)測以及巡航監(jiān)測等功能。

1 系統結構組成

三自由度水下攝像照明系統組成如圖 1所示。綜合顯示平臺使用TCP/IP視頻協議和Modbus控制協議與三自由度水下攝像照明系統進行通信。硬盤錄像機與水上光纖路由器連接，通過綜合顯示平臺集成的控制界面對硬盤錄像機和攝像機進行工作模式的設置，攝像機的焦距和光圈的調整，實時回放錄像文件。通過水上光纖路由器和水下光纖路由器對三自由度水下攝像照明系統進行供電，實現設備的控制和狀態(tài)信息的反饋。

圖1 三自由度水下攝像照明系統框圖

三自由度水下攝像照明系統主要包括基座、支架、水下成像系統、紫外線防護裝置、控制艙和電機艙，如圖2。

圖2 三自由度水下照明系統

支架用于承載水下成像系統、紫外線防護裝置、控制艙和電機艙；基座與支架共同組成系統的對接鎖緊裝置，使得支架及其承載的設備在必要時可回收至岸邊，進行零部件的更換和維修；攝像艙和照明艙通過連接軸連接成一體，共同組成水下成像系統，利用電機艙為水下成像系統提供水平方向的同步旋轉，水下成像系統艙內的舵機提供攝像機和照明燈豎直方向的俯仰運動；使用壓力補償器對電機艙進行正壓力補償；照明燈為目標物處提供足夠照度，配合攝像機捕捉圖像，并通過光纖路由器將實時圖像上傳至綜合顯示平臺；采用紫外線防護裝置從攝像艙和照明艙的外部進行照射，對攝像艙和照明艙的密封玻璃罩進行海洋生物污損防護。

2 水下成像系統結構設計

水下成像系統由攝像艙、照明艙和連接軸組成，如圖 3所示。照明艙基本結構如圖 4所示，由艙體、玻璃罩、照明燈、舵機和照明燈支架等組成，艙體為照明燈提供密封的安裝空間，照明燈支架用于承載照明燈和舵機，舵機為照明燈提供豎直方向的俯仰運動,攝像艙和照明艙結構類似，主要用于密封攝像機、舵機。

圖3 水下成像系統

圖4 照明艙基本結構

2.1 水下成像系統位置部署

在目標物照度滿足要求的條件下，水下環(huán)境視頻成像效果主要受海水中光散射的影響。若水下照明燈與攝像機安裝在一起，水下燈光會將攝像機正前方的懸浮粒子照亮，反射的光線進入攝像機的接收器內。此外，照明燈照亮的區(qū)域與攝像機視角重疊的部分較大，也會導致后向散射現象，降低圖像對比度，使得圖像細節(jié)模糊[8]。本系統使用的連接軸長度為1.5 m，將水下燈光與攝像機分開放置，使后向反射對成像質量的影響較小[9]。

2.2 攝像機相關參數計算

攝像機是水下攝像系統最為關鍵的一部分，水下攝像機的變焦能力和視場范圍直接決定了該系統能否實現360°全方位監(jiān)測。視場范圍與攝像機鏡頭焦距直接相關，選擇合適焦距的攝像機對于攝取景物十分重要。最低照度主要體現在攝像機對目標物照度的感知能力上，直接影響攝像機能否在低照度環(huán)境下捕捉到有效的圖像。

2.2.1 相對孔徑

相對孔徑與像面照度之間的關系為：

(1)

式中：B為未衰減的光照度；D/f為相對孔徑；T為水路徑衰減系數；nω為水的折射率。

同一片海域、同一水深條件下，未衰減的光照度B、水路徑衰減系數T、水的折射率nω相同，像面照度與相對孔徑D/f成正比，因此，提高攝像機的相對孔徑有利于提高像面照度[10]。

2.2.2 視場角與焦距計算

攝像機所需的視場角為：

2ω=2arctan(H/2L)

(2)

式中：2ω為視場角；H為目標物高度；L為目標物與攝像系統距離。

攝像機所需的最小焦距為：

(3)

式中：f為鏡頭焦距；η為接收器件對角線長度。

攝像機與目標物拍攝的簡化模型如圖 5所示，被監(jiān)測的水下生產設施高約5 m，攝像機距離設備底部的高度為2.4 m，即H1=2.6 m,H2=2.4 m，實際觀測地點的水質透明度約為16.5 m，因此監(jiān)測距離取16.5 m。將H1=2.6 m，L=16.5 m帶入式(2)，可得攝像機所需的最大視場角2ω為17.1°。經對比，選擇海康威視品牌的一體化攝像機芯，視場范圍最大角度為58.9°，在廣角模式下可以觀看水下生產系統全貌。長焦模式下，攝像機視場角僅有3.5°,無法觀看水下生產系統的全部細節(jié)，所以使用舵機提供攝像機豎直方向的俯仰運動，增加攝像機長焦模式下的觀察范圍；該款攝像機接收器件尺寸為9.1 mm，接收器件對角線長度為5.71 mm，水的折射率取1.33，代入式(3)可以得到攝像機觀察被監(jiān)測的水下生產設施全貌需要的焦距為14.25 mm，該款攝像機焦距為4.3～129 mm，符合要求。

圖5 攝像機與目標物拍攝模型簡化

2.3 水下照明燈

由于海水懸浮粒子的存在和純水本身的散射作用，海水對光不僅存在著吸收作用，還存在著很嚴重的散射和反射作用。研究表明，光在海水中傳播的能量呈指數規(guī)律迅速衰減[9]。吸收和散射作用的存在使目標物處的照度明顯不足，造成了圖像襯度明顯變差，導致攝像機監(jiān)測畫面不清晰。所以，在水下成像系統內增加輔助光源來保證目標物處的照度是十分必要的。LED燈具有光束集中，使用壽命長，結構緊湊等優(yōu)點，所以選擇LED燈作為該系統的輔助光源。在保證目標物處照度滿足要求的前提下，輔助光源亮度應該盡可能小，否則多余的光線會疊加在目標物上，降低圖像的對比度。本系統選擇可以通過RS485協議調整光通量的LED燈。

2.4 玻璃罩材質選擇

本系統紫外線殺菌燈從艙外照射玻璃罩，減少了紫外線穿過玻璃罩造成的能量損失，且玻璃罩材料本身無需具有透過275 nm紫外線波段的性能，最終選擇透光率可以達到95%以上的硼硅酸鹽作為玻璃罩的材質，玻璃罩與艙體之間采用粘結方式連接成一體。

3 電機艙設計

電機艙為水下成像系統提供水平方向為±180°范圍的旋轉，主要由電機、編碼器、諧波減速器以及壓力補償器組成。電機艙內部充滿絕緣硅油，外接壓力補償器對艙內進行壓力補償。

3.1 電機類型選擇

本系統處于1 500 m水深的海洋環(huán)境，電機艙承受壓力為15 MPa，采用絕緣硅油對艙內進行壓力補償。

壓力補償器主要有3種功用[11]：

1) 保持系統內外壓力平衡，可以使保護罩按照薄壁件進行設計，大幅減小系統的幾何尺寸和質量。

2) 使靜態(tài)系統更加容易密封。

3) 防止海水滲透。

無刷電機采用電子換向，相對于有刷電機使用碳刷換向來說，不會產生碳刷使硅油變質從而導致硅油絕緣性能降低的情況[12]，所以電機類型選擇無框無刷電機。經過計算，選擇科爾摩根品牌的無框電機，額定轉矩為0.413 N·m，額定轉速為4 500 r/min，搭配減速比為1∶160的諧波減速器，電機艙分為低速工作狀態(tài)和高速除塵狀態(tài)，定期以電機最大轉速工作，為水下成像系統除塵。

3.2 電機艙補償體積計算

壓力補償器的補償工作容積可以按下式求出[13]：

VB=[VY(βpJ+aΔt+KX)+ΔVL+ΔVG]/(1-C)

(4)

式中：VY為被補償系統液體體積；β為相對體積壓縮系數；pJ為為靜水壓力；α為體積膨脹溫度系數，對于油α=5.8×10-4～9.5×10-4；Δt為溫差；ΔVL為48 h內液體系統的泄漏；ΔVG為系統工作時所需補償的體積；KX為氣液系數，取3%～6%；C為補償體積變化系數。

相對體積壓縮系數β可由式(5)計算：

(5)

式中：a、b為經驗常數，對于礦物油，a=6.13×104,b=1.115×10-6。

補償體積變化系數C可由式(6)計算：

(6)

式中：∑ΔV為系統中被補償的工作液體的體積。

系統中被補償的工作液體的體積∑ΔV可由式(7)計算：

∑ΔV=βVYpJ+aΔt·VY+ΔVQ(W)+ΔVL+ΔVG

(7)

式中：ΔVQ(W)為隨溫度變化而產生的氣體體積變化量，m3。

該系統中電機艙承受的靜水壓力為15 MPa，系統應用區(qū)域南海海面與海洋1 500 m深處的溫度差約為25 ℃[14]。該系統為靜態(tài)壓力補償系統且假設電機艙48 h無泄漏，被補償系統液體體積為0.77 L。計算得出電機艙需要的補償體積為0.05 L，取安全系數為5，則補償器容積為0.25 L。

4 紫外線防護裝置

海洋生物在設備上短時間內附著時，尚未形成成熟的生物膜體系，容易被海水沖刷掉。隨著時間推移，生物膜與海洋細菌通過共價鍵等作用建立有機聯系[15]，海洋細菌不再輕易掉落。附著時間繼續(xù)延長，海洋細菌在設備表面形成動態(tài)附著，微生物膜在海水沖刷下脫落的同時也有不同種類的海洋生物繼續(xù)附著[16]。此時，海洋生物對于設備表面的材料也不斷腐蝕，同時還會遮擋攝像機和照明燈的鏡頭，影響設備捕捉圖像的能力。所以，必須在開始附著的短時間內使用防污手段避免生物膜的繼續(xù)成熟。本系統中采取紫外線照射的方式，但設備脫離紫外線照射后，海洋生物依然會繼續(xù)附著，所以采用若干組紫外線殺菌燈循環(huán)持續(xù)照射照明艙和攝像艙的玻璃罩。紫外線作用距離有限，所以將紫外線防護裝置放置于艙外，減少了紫外線在傳遞過程中的能量損失。紫外線防護裝置如圖6所示。

圖6 紫外線防護裝置

5 控制系統設計

水下攝像照明系統的控制部分主要包括電機、驅動器、編碼器、PLC的CPU模塊和RS485模塊以及I/O模塊等。系統由綜合顯示平臺的上位機頁面向放置于水下的設備發(fā)出指令，通過光纖路由器向控制艙集中供電、進行控制信號以及視頻信號的傳輸?？刂婆搫t通過水密插頭向各艙分配信號，根據上位機發(fā)出的信號指令進行相應動作，接受運動狀態(tài)反饋信息。

6 結論

1) 三自由度水下攝像照明系統通過連接軸結構將攝像機和照明燈分開放置，降低了照明燈和攝像機光線重疊造成的后向散射作用對圖像的影響。

2) 使用電機艙和舵機為照明艙和攝像艙提供同步水平旋轉運動和垂直方向的俯仰運動，減少了攝像照明系統的自由度，消除傳統設備照明燈和攝像機水平方向上的旋轉誤差。

3) 使用壓力補償器對電機艙進行正壓力補償，保護了艙內元器件，使得整體設備可以在多種水深條件下工作。

4) 紫外線殺菌燈從外側照射的方式減小了紫外線通過玻璃罩造成的能量損失，延長了紫外線的有效作用距離，并且光學玻璃的材質無需受紫外線性能限制,可使三自由度水下攝像照明系統在水下進行長期監(jiān)測。