水下無人作業監控系統構架

梁克

摘 要：隨著開發海洋、江河與湖泊科學事業的發展，水下工程的規模越來越大，水下攝像機技術已成為開發水域的眼睛，其應用已越來越廣泛，本文根據水下作業環境特點對現有設備進行了性能分析，并對水下監控系統架構進行研究和必要探討。

關鍵詞：水下攝像機 水下光源 監控系統 無人作業

隨著開發海洋、江河與湖泊科學事業的發展，水下工程的規模越來越大，水下攝像機技術已成為開發水域的眼睛，其應用已越來越廣泛。尤其是在水下沉船打撈及水下特種作業時，作業人員更加需要依靠水下攝像機技術獲得水下直觀的實時監控圖像，以保證水下作業的安全性和可靠性。水下攝像機技術已成為水下作業時不可缺少的重要工具，本文根據水下作業環境特點對現有設備進行了性能分析，并對水下監控系統架構進行研究和探討，為水下無人作業監控系統提供新思路和參考。

技術選擇及特性分析

1、水下攝像機

目前，隨著光電技術的發展和超聲波技術的發展，以及各種新型的攝像元器件的不斷出現，水下攝像機的性能進一步提高，適應各種惡劣工作環境，擴大了實用范圍。按照工作原理，水下攝像機分為水下可見光攝像機、水下激光攝像機和水下超聲波攝像機。

1.1水下可見光攝像機

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

水對光的吸收是在不同的光譜區域是不同的，水對光譜中的紫外和紅外部分表現出強烈的吸收。純凈的水和清澈的海水在光譜的藍-綠區域透射比最大，但即使在這個藍-綠窗口，水的吸收也足以使光的強度衰減約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點， 水對光的散射對圖象的襯比和細節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， 影象的細節模糊， 影響成象質量， 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， 它們使目標變得模糊不清和難以辨認， 這是水下光電探測系統所面臨的最為嚴重的問題。

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規律迅速地衰減。設是某水層的光量，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在水中幾乎不能用。

1.2水下激光攝像機

常規可見光水下攝像機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連續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的作用距離和細節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綠激光，成像效果相對好些，水下激光攝像機目前正處于研究階段，并已經在某些水下場合中得到應用。

1.3超聲波水下攝像機

超聲波水下攝像機就是成像聲納系統。由于在水下，光學成像系統的可視距離有限，尤其是當水質非常渾濁時（比如近海、港口、河口或水底作業卷起的泥沙等情況下，水質非常渾濁）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受到的約束就要小的多。聲成像系統能克服復雜的水文環境，同時又具有較遠的作用距離，使得它能在各種規模的水下探測中應用。在低頻段，聲波傳播距離較遠，可利用聲納回波信號的頻譜等特征進行艦船噪聲識別等工作。在高頻段，在近百米的距離上，可實現聲納目標成像，從而完成各種水下探測任務。

2、水下光源

一般來說，太陽光只能達到水下20～30米，因此水深20～30米以上都應使用人工照明，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，應選擇波長適中的光源，在水中污濁物質多的時候，光的散射也多。這樣便要把海洋的場所與狀態二者結合起來綜合考慮光源的選擇。

白熾燈輻射光的主要區域是紅光，對特殊設計的水下攝像機攝像機來說，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與綠范圍內，水對它吸收很少。水下攝像機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。由于它能發出在水中最易通過的藍綠色光，因此也得到廣泛應用。LED燈可以選擇水下透光最好的藍綠光LED，并且其節能效果較好，是正在發展應用的一種水下用燈光。

水對光的光譜吸收相當于加一藍色濾色鏡，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重地影響到圖像質量，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越大，則越亮。因為即使光源變得非常強，但由于懸浮微粒的暈光作用也變強，要透過很遠距離就有困難，為此，照明光源的位置要盡量設置在被攝物體附近。

3、攝像機性能分析

根據以上分析，綜合各種類型水下攝像機的特點，確定選擇可見光攝像機和超聲波攝像機。可見光攝像機用在水質清澈的情況下，實現近距離觀察作業狀態的用途。超聲波攝像機實現遠距離觀察和引導水下機器人的用途，還實現在水質渾濁的條件下，輔助觀察作業狀態的用途。

水下無人作業監控系統方案

1、系統的主要功能

系統能夠通過聲納技現對水下無人作業位置區域精確定位，對作業信息實時監測；主要功能包括：①低可見度/零可見度水下作業位置的確定；②作業過程和工作環境的實時監控；③作業設備工作狀態的實時監控。

2、系統組成

根據無人作業監控系統功能要求，為配合特定作業系統，需至少配置1臺高分辨率彩色攝像機、1臺水下照明燈進行視頻監控，同時配置1臺多波束前視聲吶，用于低可見度/零可見度環境下的成像探測（見圖1）主要組成部分如下：①水下攝像機及附件，包括水下攝像機、攝像機耐壓殼體及相關附件、水密接頭和固定結構；②水下照明系統，包括水下照明燈耐壓殼體及相關附件、水密接頭、照明燈光源及驅動電路、固定支架；③多波束前視聲吶，包括水下前視聲吶及相關附件、水密接頭、固定支架；④水下安裝固定及調節支架；⑤水下電纜傳輸部分，包括水下攝像機及照明燈用的水下復合電纜、聲吶用電纜、水密接頭；⑥水下導向穩定系統。

圖1 水下無人作業監控系統組成

結論

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

參考文獻：

[1]丁繼勝，劉忠巨，周興華等.多波束測深聲納系統的工作原理[J].海洋測繪，1999，（3）：15-22

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

（作者單位：交通運輸部水運科學研究所）endprint