水下高速摄像与照明系统.pdf

书书书第 35 卷第 6 期2013 年 6 月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol 35，No 6Jun，2013水下高速摄像与照明系统张彦敏，谢仁富，陈兵(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)摘要:高清晰、紧凑的水下高速摄像系统具有良好的应用和发展前景。本文研究的水下高速摄像与照明系统包括大深度的水下高速摄像机与水下新型照明灯，可在水下1 000 m 深度或同等压力实现对水下高速运动目标的拍摄，获得高清晰的水下高速运动图像。着重论述水下高速摄像系统与照明系统的承压防水设计以及配光处理等相关设计内容。关键词:水下高速摄像机;水下照明灯;承压;防水中图分类号:TM923 56文献标识码:A文章编号:1672 7649(2013)06 0109 04doi:10.3404/j.issn.1672 7649.2013.06.024Development of the underwater high-speed camera and lighting systemZHANG Yan-min，XIE en-fu，CHEN Bing(Wuhan Second Ship Design and esearch Institute，Wuhan 430064，China)Abstract:The high-definition and compact underwater high-speed camera and lighting system withdeep-depth has a good application and development prospects The underwater high-speed camera andlighting system in this paper include deep-sea high-speed camera and new-style underwater light，which canuse at the underwater depth of 1 000 m or the same pressure class，fulfill the task of taking photos andcompiling HD dynamic images of underwater moving object This paper gives the concern to the design ofpressure hull，luminous intensity distribution and the realization of the systemKey words:underwater high-speed camera;underwater light;pressure-loaded bearing;water-proof收稿日期:2011 06 23;修回日期:2012 12 25作者简介:张彦敏(1980 )，男，工程师，研究方向为水声工程与技术，水下安全防范。0引言随着水中兵器、水下作业工具以及各种水下科学考察、水中试验应用的不断发展，研制高精度水下高速摄像系统的要求日益迫切，大深度、高清晰、紧凑的水下高速摄像系统具有广阔的市场。目前已有的水下高速摄像机普遍存在体积庞大、造价高昂等诸多问题，限制了水下高速摄像机的应用。由于高速摄像技术发展迅速，更高分辨率、更紧凑尺寸、更高速度摄像机层出不穷。新型高亮度照明技术也日益成熟，水下复合电缆及水密接头日趋规格化，压力容器及制造材料的性价比逐渐提高。这些积极因素进一步促进了水下高速摄像系统的发展。水下环境应用的特殊性，要求在水下(特别是大深度条件下)必须配置专用的水下照明设备，水下摄像机的拍摄性能(摄像机本身的低照度和清晰度也是关键)严重依赖于为目标照明灯光系统的质量(灯光的纯度)、灯光的强度、眩光性和照明灯的配合部署等。基于水下高速摄像系统的实际应用需求，采用新型高速摄像机和新型 LED 照明技术，论述水下高速摄像与照明系统的设计与实现1。1系统的功能及性能设计要求高精度水下高速摄像系统用于捕捉水下目标的高速移动(动作)相关视频信号，完成对相关水下目标动作的监控及高速视频的后处理分析。高精度水下高速摄像系统具有如下主要功能:1)高速、高清晰、低照度的摄像功能;2)水下 0 10 MPa 环境下能正常工作;3)摄像机拍摄距离为 3 m，视阈4 m 4 m;4)具有各种远距离操控功能;5)远距离视频传输及视频回放功能;舰船科学技术第 35 卷图 1水下高速摄像系统组成Fig.1Constitution sketch map of the underwater high-speed camera system6)大容量(16 GB)视频存储及录制功能;7)视频后处理及相关的高速运动分析功能。2系统组成根据高精度水下高速摄像系统的技术要求，本方案中高精度水下高速摄像系统(见图 1)主要组成部分如下:1)水下高速摄像机及附件，包括高速摄像机、摄像机镜头、摄像机耐压壳体及相关附件、耐压窗玻璃、水密接头和固定结构;2)水下照明系统，包括水下照明灯耐压壳体及相关附件、水密接头、耐压窗玻璃、照明灯光源及驱动电路、固定支架;3)水下安装固定及调节支架;4)水下电缆传输部分，包括水下摄像机及照明灯用的水下复合电缆、水下摄像机用水下以太网电缆、水密接头;5)水面传输及水面控制单元。3水下高速摄像机的研制水下高速摄像机在本设计中进行了承压、水密加固、光学视场等处理，从而满足系统在技术性能、使用环境等方面的要求2。1)水下高速摄像机承压壳体总体设计水下高速摄像机承压壳体的总体设计主要包括如下几个关键部分:水下高速摄像机耐压壳体设计、承压光学玻璃的密封设计、水下连接器的密封设计以及水下摄像机内部安装布置的设计等(见图 2)。同时高速摄像机与超广角镜头以及承压光学玻璃的配合也是本水下高速摄像机改造设计的关键。图 2水下高速摄像机装配示意图Fig.2Assemblage sketch map of the underwater hiqh-speed camera2)水下摄像机耐压壳体的设计依据高耐压等级要求，综合性价比、耐腐蚀性等多方面因素，水下高速摄像机耐压壳体采用不锈钢。水下高速摄像机的壳体分为前部壳体、后部壳体 2 个部分。前部壳体主要放置光学玻璃，后部壳体主要放置高速摄像机、超广角镜头和水密接头。前部壳体和后部壳体之间通过焊接连接、密封。水下高速摄像机前部采用前顶环、预应力紧固件、玻璃内外密封部件实现前部壳体与光学玻璃的密封。水密接头通过螺纹、密封圈密封在壳体后端面，摄像机通过后部安装的方式安装在耐压壳体上。3)光学及视场处理高速相机、超广角镜头、承压玻璃以及水介质、视场均牵涉到光学及其光学传播路径的问题，是实011第 6 期张彦敏，等:水下高速摄像与照明系统现水下高速摄像系统功能和全部性能指标的关键。除了水的折射、散射、色散等干扰因素，水下相机的耐压水密窗本身的色散也将干扰成像。这些将导致普通光学镜头面临视场角变小、像质劣化等缺陷，设计专门的水下广角镜头是必要的。本镜头是 1 个较大相对孔径和大视场水下镜头，在技术设计过程中要考虑承压玻璃的厚度、承压玻璃的折射率、承压玻璃与镜头之间的距离、水的折射率等问题。这种类型的镜头除了需要克服一般的初级像差，还须克服由于孔径较大带来的高级像差，诸如高级球差和高级慧差3，普通的反远摄结构难以匹配这种大视场大相对孔径的情况。在选型过程中发现，二组元变焦镜头的短焦端具有大视场的特性，且相对孔径具有较大的提升潜力。初始结构选定以后，代入水和耐压水密窗材料的光学参数并优化。由于镜头具有大视场与大孔径的特点，在优化过程中应着力控制像散与场曲。为此，在前组第3 和第4 片使用较厚的鼓型透镜，在后组采用多片正负分离透镜，使用高折射率镧火石玻璃。设计的最终结构如图 3 所示，镜头焦距为9.25 mm，相对孔径值达到 F1.6，畸变9%，镜头总长 117 mm，相对照度大于 60%，在 20.2 mm像面上，水下视场角达 88.5。图 3定焦镜头光路设计Fig.3Light trace design of fixed camera lens4)水下摄像机承压光学玻璃的设计摄像机承压玻璃采用航空有机玻璃浇注板，根据文献 4实验测量数据计算水的色散系数为55.9。承压光学玻璃采用锥状设计5，不仅减小了承压接触面积(减小承压玻璃的厚度)，且锥状外形还不对高速摄像机的光路产生任何遮挡(见图 2)。4水下照明灯组成对于高精度水下高速摄像系统来说，水下照明灯的选择关乎到水下照明系统的清晰度、水下环境的照度及水下环境可视距离等6。目前通常采用水下固态冷光源(LED)和水下特种灯泡型光源(卤素灯等)2 种类型的水下照明灯。LED 照明灯由于具有其他照明形式无法比拟的长寿命、高可靠性、高光效、紧凑性、抗冲击抗震性等特点成为水下照明的应用方向。特别是在高拍摄帧率条件下，LED水下灯不会产生频闪影响7。1)水下照明灯承压壳体总体设计水下照明灯壳体设计(见图 4)主要包括水下照明灯耐压壳体设计、前部承压光学玻璃的密封设计、水下连接器的密封设计、照明等驱动电路设计以及水下照明灯内部安装部署的设计等。图 4水下照明灯装配示意图Fig.4Assemblage sketch map of the underwater light2)水下照明灯耐压壳体的设计依据大深度高耐压等级的要求，综合考虑性价比、强度、重量、耐腐蚀性、后处理复杂性等因素，本水下高速摄像机的耐压壳体采用不锈钢。水下照明灯的壳体分为前部壳体和后部壳体 2个部分。前部壳体主要放置光学玻璃，后部壳体主要放置照明灯光源、驱动电路、水密接头。前部壳体和后部壳体之间通过焊接的形式进行紧固。照明灯前部采用前顶环、前压环、双层径向密封圈的形式实现照明灯前部壳体与光学玻璃的密封。水密接头通过螺纹、密封圈旋紧于壳体螺纹中。3)水下照明灯承压光学玻璃的设计水下照明灯承压光学玻璃采用航空有机玻璃浇注板，根据水下照明灯的照明角度、照明光源的面积、光源的发光角度和出射角度、照明玻璃的承压面积和厚度及玻璃的折射率进行综合设计。本设计中将照明灯耐压壳体的前半部分设计成锥形，锥面111舰船科学技术第 35 卷进行抛光，将照明灯和反射体融为一体。4)水下照明灯驱动电路设计水下照明灯采用恒流源供电，驱动电路布置在光源的背板后部。水下照明灯直流电源由水面控制单元经过水面电缆和水下电缆传输给水下照明灯，并由水面控制单元进行远程调光控制。5水下电缆传输部分1)水下传输电缆的设计定制本水下高速摄像系统的水下电缆包括水下电源及控制复合电缆和水下以太网复合电缆 2 种。根据高速摄像机的接口类型、芯数、电缆长度要求、浮力要求等规划复合电缆中电缆的参数，复合电缆各芯线的屏蔽、双绞等内容。2)水下复合电缆水下复合电缆将水下高速摄像机的部分电缆芯线和 2 台水下照明灯的电缆复合到 1 根电缆中，并经过屏蔽、水密等处理。由 3 对电源线(分别是摄像机和照明灯的电源)、4 根双绞线(控制电缆)及2 根同轴电缆组成。3)水下以太网复合电缆水下以太网络复合电缆是一种专用的水下千兆以太网络传输电缆，主要是实时传输水下的高速摄像机的图像数据，其最大的耐压等级可以达到 600 bar，最大传输速率在100 m 以内可以达到1 Gbps。6水面控制单元水面控制单元用于完成对水下摄像系统中水下摄像机和水下照明灯的远程控制和供电。控制部分用于实现摄像机的触发控制、摄像机的同步、摄像机的网络连接、照明灯调光控制等。水面控制单元的供电部分用于实现摄像机供电、照明灯供电以及水面单元内部子设备的供电。7水下高速摄像系统部署水下高速摄像系统性能的发挥一方面依赖设备本身有良好的特性与功能，另一方面也要依赖设备有良好的布局，所以寻求水下高速摄像机与照明系统的最优布局是本系统的关键所在 7，照明灯的位置对于成像质量具有关键的影响，不同角度对成像质量有较大的影响，要求照明灯尽可能向目标靠近。同时，照明灯的布局也要考虑拍摄视场范围内的照明灯光要均匀并且充实。设计中，系统包括 2 台水下高速摄像机和 4 台水下照明灯。每台水下摄像机配置 2 台水下照明灯，通过水面控制单元，每台水下照明灯和水下摄像机均可以实现控制，这样就可以根据摄像机的拍摄效果调节照明灯的亮度。水下照明灯电缆的长度相较于水下摄像机长约 5 m，这样水下照明灯就不局限于布置于摄像机的两侧，可以将照明灯就近布置到水下目标附近。水下摄像系统的布置如图 5 所示。每台摄像机均可以单独满足在 3 m 的距离上对4 m 4 m 区域内的目标实现拍摄。而实际完成的摄像机和照明灯的覆盖扇面大于图 5 中的 72和 56，满足水下高速摄像系统应用的需要。图 5系统布置示意图Fig.5Deployment schematic of the system8结语水下高速摄像系统与照明系统通过多台水下高速摄像机布置以及水下新型照明灯辅助照明系统的灵活布置，实现了对大深度(或同等压力下)水下高速运动目标的运动轨迹、速度、加速度等测量分析，实现网络化的高速图像记录和存储。参考文献:1沈凌敏，何俊华，张琦，等 水下微光高速摄像系统在潜艇试验中的应用J 舰船科学技术，2009，31(11):5558SHEN Ling-min，HE Jun-hua，ZHANG Qi，et al Applicationof underwater low-light-level high-speed photograph system insubmarineJ Ship Science and Technology，2009，31(11):55 58 2杨锦华，龙峰，张海林 水下摄像机P 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