[科普中國]-水下攝象機(jī)

背景

隨著水中兵器、水下作業(yè)工具以及各種水下科學(xué)考察、水中試驗(yàn)應(yīng)用的不斷發(fā)展， 研制高精度水下高速攝像系統(tǒng)的要求日益迫切， 大深度、高清晰、緊湊的水下高速攝像系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)。

目前已有的水下高速攝像機(jī)普遍存在體積龐大、造價(jià)高昂等諸多問題， 限制了水下攝像機(jī)的應(yīng)用。

由于高速攝像技術(shù)發(fā)展迅速， 更高分辨率、更緊湊尺寸、更高速度攝像機(jī)層出不窮。新型高亮度照明技術(shù)也日益成熟， 水下復(fù)合電纜及水密接頭日趨規(guī)格化， 壓力容器及制造材料的性價(jià)比逐漸提高。這些積極因素進(jìn)一步促進(jìn)了水下高速攝像系統(tǒng)的發(fā)展。水下環(huán)境應(yīng)用的特殊性， 要求在水下 ( 特別是大深度條件下) 必須配置專用的水下照明設(shè)備， 水下攝像機(jī)的拍攝性能 ( 攝像機(jī)本身的低照度和清晰度也是關(guān)鍵) 嚴(yán)重依賴于為目標(biāo)照明燈光系統(tǒng)的質(zhì)量 ( 燈光的純度) 、燈光的強(qiáng)度、眩光性和照明燈的配合部署等。

定義水下攝像機(jī)，又名水下攝影機(jī)，采用高質(zhì)量電纜為視頻傳輸控制線，外加控制箱，放線絞車等輔助控制設(shè)備組成的水下攝像系統(tǒng)。主要應(yīng)用于石油、深水探測(cè)，水下作業(yè)，海洋漁業(yè)等水下領(lǐng)域。主要功能是測(cè)量，監(jiān)控，勘探等等。可以在水下用的攝影機(jī)，外加密封抗壓外殼，一般采用工業(yè)攝像機(jī)為核心部件。

高精度水下攝像機(jī)用于捕捉水下目標(biāo)的高速移動(dòng)(動(dòng)作)相關(guān)視頻信號(hào)， 完成對(duì)相關(guān)水下目標(biāo)動(dòng)作的監(jiān)控及高速視頻的后處理分析。12

功能及性能設(shè)計(jì)要求水下攝像機(jī)具有如下主要功能：

1) 高速、高清晰、低照度的攝像功能；

2) 水下0～10 MPa環(huán)境下能正常工作；

3) 攝像機(jī)拍攝距離為3m， 視閾≥4 m × 4 m；

4) 具有各種遠(yuǎn)距離操控功能；

5) 遠(yuǎn)距離視頻傳輸及視頻回放功能；

6) 大容量 ( ≥16 GB) 視頻存儲(chǔ)及錄制功能；

7) 視頻后處理及相關(guān)的高速運(yùn)動(dòng)分析功能。

系統(tǒng)組成根據(jù)高精度水下攝像系統(tǒng)的技術(shù)要求， 水速攝像機(jī)主要組成部分如下：

1) 水下攝像機(jī)及附件，包括高速攝像機(jī)、攝像機(jī)鏡頭、攝像機(jī)耐壓殼體及相關(guān)附件、耐壓窗玻璃、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、耐壓窗玻璃、照明燈光源及驅(qū)動(dòng)電路、固定支架；

3) 水下安裝固定及調(diào)節(jié)支架；

4) 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、水下攝像機(jī)用水下以太網(wǎng)電纜、水密接頭；

5) 水面?zhèn)鬏敿八婵刂茊卧?/p>

水下攝像機(jī)的研制對(duì)水下攝像機(jī)進(jìn)行承壓、水密加固、光學(xué)視場(chǎng)等處理， 從而滿足系統(tǒng)在技術(shù)性能、使用環(huán)境等方面的要求。

水下攝像機(jī)承壓殼體總體設(shè)計(jì)水下高速攝像機(jī)承壓殼體的總體設(shè)計(jì)主要包括如下幾個(gè)關(guān)鍵部分：水下高速攝像機(jī)耐壓殼體設(shè)計(jì)、承壓光學(xué)玻璃的密封設(shè)計(jì)、水下連接器的密封設(shè)計(jì)以及水下攝像機(jī)內(nèi)部安裝布置的設(shè)計(jì)等（如圖）。同時(shí)高速攝像機(jī)與超廣角鏡頭以及承壓光學(xué)玻璃的配合也是本水下高速攝像機(jī)改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

水下攝像機(jī)耐壓殼體的設(shè)計(jì)依據(jù)高耐壓等級(jí)要求， 綜合性價(jià)比、耐腐蝕性等多方面因素， 水下攝像機(jī)耐壓殼體采用不銹鋼。水下攝像機(jī)的殼體分為前部殼體、后部殼體 2 個(gè)部分。前部殼體主要放置光學(xué)玻璃， 后部殼體主要放置高速攝像機(jī)、超廣角鏡頭和水密接頭。前部殼體和后部殼體之間通過焊接連接、密封。水下攝像機(jī)前部采用前頂環(huán)、預(yù)應(yīng)力緊固件、玻璃內(nèi)外密封部件實(shí)現(xiàn)前部殼體與光學(xué)玻璃的密封。水密接頭通過螺紋、密封圈密封在殼體后端面， 攝像機(jī)通過后部安裝的方式安裝在耐壓殼體上。

光學(xué)及視場(chǎng)處理高速相機(jī)、超廣角鏡頭、承壓玻璃以及水介質(zhì)、視場(chǎng)均牽涉到光學(xué)及其光學(xué)傳播路徑的問題， 是實(shí)現(xiàn)水下攝像系統(tǒng)功能和全部性能指標(biāo)的關(guān)鍵。除了水的折射、散射、色散等干擾因素， 水下相機(jī)的耐壓水密窗本身的色散也將干擾成像。這些將導(dǎo)致普通光學(xué)鏡頭面臨視場(chǎng)角變小、像質(zhì)劣化等缺陷， 設(shè)計(jì)專門的水下廣角鏡頭是必要的。在技術(shù)設(shè)計(jì)過程中要考慮承壓玻璃的厚度、承壓玻璃的折射率、承壓玻璃與鏡頭之間的距離、水的折射率等問題。這種類型的鏡頭除了需要克服一般的初級(jí)像差， 還須克服由于孔徑較大帶來的高級(jí)像差，諸如高級(jí)球差和高級(jí)慧差， 普通的反遠(yuǎn)攝結(jié)構(gòu)難以匹配這種大視場(chǎng)大相對(duì)孔徑的情況。二組元變焦鏡頭的短焦端具有大視場(chǎng)的特性， 且相對(duì)孔徑具有較大的提升潛力。初始結(jié)構(gòu)選定以后， 代入水和耐壓水密窗材料的光學(xué)參數(shù)并優(yōu)化。由于鏡頭具有大視場(chǎng)與大孔徑的特點(diǎn)， 在優(yōu)化過程中應(yīng)著力控制像散與場(chǎng)曲。為此， 在前組可使用較厚的鼓型透鏡， 在后組可采用多片正負(fù)分離透鏡， 使用高折射率鑭火石玻璃。

水下攝像機(jī)承壓光學(xué)玻璃的設(shè)計(jì)攝像機(jī)承壓玻璃采用航空有機(jī)玻璃澆注板。承壓光學(xué)玻璃采用錐狀設(shè)計(jì)， 不僅減小承壓接觸面積 ( 減小承壓玻璃的厚度) ， 且錐狀外形還不對(duì)高速攝像機(jī)的光路產(chǎn)生任何遮擋 。3

水下照明燈組成對(duì)于高精度水下攝像系統(tǒng)來說， 水下照明燈的選擇關(guān)乎到水下照明系統(tǒng)的清晰度、水下環(huán)境的照度及水下環(huán)境可視距離等。目前通常采用水下固態(tài)冷光源 ( LED) 和水下特種燈泡型光源 ( 鹵素?zé)舻? 2 種類型的水下照明燈。LED 照明燈由于具有其他照明形式無法比擬的長壽命、高可靠性、高光效、緊湊性、抗沖擊抗震性等特點(diǎn)成為水下照明的應(yīng)用方向。特別是在高拍攝幀率條件下， LED水下燈不會(huì)產(chǎn)生頻閃影響

水下照明燈耐壓殼體的設(shè)計(jì)依據(jù)大深度高耐壓等級(jí)的要求， 考慮性價(jià)比、強(qiáng)度、重量、耐腐蝕性、后處理復(fù)雜性等因素，水下攝像機(jī)的耐壓殼體采用不銹鋼。水下照明燈的殼體分為前部殼體和后部殼體 2個(gè)部分。前部殼體主要放置光學(xué)玻璃， 后部殼體主要放置照明燈光源、驅(qū)動(dòng)電路、水密接頭。前部殼體和后部殼體之間通過焊接的形式進(jìn)行固。照明燈前部采用前頂環(huán)、前壓環(huán)、雙層徑向密封圈的形式實(shí)現(xiàn)照明燈前部殼體與光學(xué)玻璃的密封。水密接頭通過螺紋、密封圈旋緊于殼體螺紋中。

水下照明燈承壓光學(xué)玻璃的設(shè)計(jì)水下照明燈承壓光學(xué)玻璃采用航空有機(jī)玻璃澆注板， 根據(jù)水下照明燈的照明角度、照明光源的面積、光源的發(fā)光角度和出射角度、照明玻璃的承壓面積和厚度及玻璃的折射率進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

水下照明燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)水下照明燈采用恒流源供電， 驅(qū)動(dòng)電路布置在光源的背板后部。水下照明燈直流電源由水面控制單元經(jīng)過水面電纜和水下電纜傳輸給水下照明燈，并由水面控制單元進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)光控制。4

水下電纜傳輸部分水下傳輸電纜的設(shè)計(jì)定制水下攝像系統(tǒng)的水下電纜包括水下電源及控制復(fù)合電纜和水下以太網(wǎng)復(fù)合電纜2種。根據(jù)高速攝像機(jī)的接口類型、芯數(shù)、電纜長度要求、浮力要求等規(guī)劃復(fù)合電纜中電纜的參數(shù)， 復(fù)合電纜各芯線的屏蔽、雙絞等內(nèi)容

水下復(fù)合電纜水下復(fù)合電纜將水下攝像機(jī)的部分電纜芯線和 2 臺(tái)水下照明燈的電纜復(fù)合到1根電纜中，并經(jīng)過屏蔽、水密等處理由 3 對(duì)電源線 ( 分別是攝像機(jī)和照明燈的電源) 、4根雙絞線 ( 控制電纜) 及2根同軸電纜組成。

水下以太網(wǎng)復(fù)合電纜水下以太網(wǎng)絡(luò)復(fù)合電纜是一種專用的水下千兆以太網(wǎng)絡(luò)傳輸電纜， 主要是實(shí)時(shí)傳輸水下的高速攝像機(jī)的圖像數(shù)據(jù)， 其最大的耐壓等級(jí)可以達(dá)到 600 bar，最大傳輸速率在 100 m 以內(nèi)可以達(dá)到 1 Gbps

水面控制單元水面控制單元用于完成對(duì)水下攝像系統(tǒng)中水下攝像機(jī)和水下照明燈的遠(yuǎn)程控制和供電?？刂撇糠钟糜趯?shí)現(xiàn)攝像機(jī)的觸發(fā)控制、攝像機(jī)的同步、攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接、照明燈調(diào)光控制等。水面控制單元的供電部分用于實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)供電、照明燈供電以及水面單元內(nèi)部子設(shè)備的供電。