水下照明與攝像系統設計

方勇

（中國船舶重工集團公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌443003）

0 引言

海洋開發、水下作業、大壩水下檢查、水下科學試驗以及軍事應用等，常常需要利用水下攝像機進行水下目標觀測［1］。近年來，隨著科學技術的飛速發展，特別是計算機和數字技術的進步，數字視頻壓縮技術、圖像獲取和記錄技術、高分辨率的CCD傳感器及小型低成本的視頻攝像機和數碼攝像機等被廣泛用于水下攝像機的設計和制造中。美國、法國和俄羅斯已開發了多型水下攝像機，應用于資源勘探、科學考察和打撈作業［2－3］。20 世紀90 年代初，我國也相繼投入大量的人力和物力進行水下攝像機的研究開發。

本文設計了一種用于水下工程的水下照明與攝像系統，本系統采用多臺水密攝像裝置進行水下布陣，獲得高清晰的視頻圖像，實現對水下物體運動和動作的不間斷觀察；水密照明裝置能夠提供足夠的目標照度；具有集中控制、深度檢測和漏水報警等功能，已在水下工程中實際應用，取得了良好的效果。

1 系統組成及工作原理

水下照明與攝像系統組成如圖1所示，主要由水密攝像裝置、水密照明裝置、升降機構、接口箱、電控及監視設備等組成。升降機構由升降架、升降軌道、絞車等組成，每一個升降架上安裝1臺水密攝像裝置和2套水密照明裝置，通過上下移動升降架調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，由控制臺給水下設備供電，水下視頻信號、深度信號和漏水報警信號等也通過水密電纜傳輸給控制臺，控制臺可以實時顯示、記錄水下視頻圖像［4］。

圖1 水下照明與攝像系統組成圖

2 水密攝像裝置

水密攝像裝置用于系統水下攝像，由水密耐壓筒體、攝像機、水密光窗、壓力變送器、漏水報警電路等組成。水密耐壓筒體為攝像裝置提供水密的安裝空間［5］，攝像機采用高靈敏度高分辨率彩色攝像機、廣角鏡頭［6］，前面安裝專為水下應用而特制的水密光窗。水密攝像裝置內裝有漏水報警裝置，漏水時能及時報警并自動切斷電源，以確保試驗設備和人員的安全。水密攝像裝置內安裝壓力變送器，用于測量攝像機的工作水深。水密攝像裝置結構如圖2所示。

圖2 水密攝像裝置結構圖

3 水密照明裝置

水密照明裝置用于系統水下攝像的照明，在水下攝像范圍內提供足夠的目標照度，以保證水下視頻圖像的質量，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、性能穩定等特點，可以在水下長時間連續工作。水密照明裝置結構如圖3所示。

圖3 水密照明裝置結構圖

4 升降機構

升降機構由升降架、升降軌道、絞車等組成，每一個升降架上安裝1臺水密攝像裝置和兩套水密照明裝置，通過上下移動升降架調整水下攝像的位置和深度。升降導軌包括2根固定滑軌、4個滑輪和滑輪固定架，既可為升降架的上下移動提供軌道，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轉向滑輪后與絞車連接，通過轉動絞車，就可實現升降架的上下移動，使攝像機定位在所需深度。

5 電控及監視設備

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

漏水報警：漏水報警板安裝在水密攝像裝置內，當水密攝像裝置漏水時，繼電器動作輸出開關量到集中控制柜。

深度測量：水密攝像裝置內安裝壓力變送器，測量攝像機的工作水深，并在控制臺上實時顯示。

控制臺主要作用是控制、監視水下照明與攝像過程。本系統所有水下部分漏水報警，都可通過指示燈在控制臺上顯示出來，當水密攝像裝置漏水時，繼電器動作斷開水密攝像裝置電源，同時通過控制臺的指示燈和蜂鳴器發出聲光報警。

監視設備安裝在控制臺上，它可以實時顯示、記錄水下視頻圖像，記錄的視頻圖像在需要時可以隨時調取。

6 結語

水下照明與攝像系統能夠不間斷地觀察水下物體的運動和動作，獲得高清晰的視頻圖像，保證了水下工程的順利開展。該系統已多次在水下試驗和水下作業中應用，取得了良好的效果。

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

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

［3］ 沈凌敏.水下微光高速攝像系統在潛艇實驗中的應用［J］.艦船科學技術，2009（11）：55-58.

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

［5］ 何福志.耐壓液艙結構強度與穩定性［J］.船舶力學，2009（6）：915-922.

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