开式潜水钟水下摄像系统设计

陈 兵，张彦敏，谢仁富

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

开式潜水钟水下摄像系统设计

陈 兵，张彦敏，谢仁富

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

开式钟潜水具有独特的性能和优势，在英美等发达国家使用广泛。开式潜水钟水下摄像系统作为其子系统分散布置在潜水装具、开式潜水钟、吊放装置、水面集中控制台各分系统中。本文基于新型水下摄像、LED照明技术设计出应用于开式潜水钟系统的一种紧凑型、高可靠性水下摄像系统。

开式潜水钟;水下摄像;通信;LED照明

0 引言

开式潜水钟 (又称湿式潜水钟）是目前世界上五大潜水方式之一，可分为自携式潜水、管供式潜水、开式钟潜水、邦司潜水和饱和潜水等［1］。由于开式钟潜水具有独特的性能和优势，在英美等发达国家得到广泛使用，并且已进入标准化生产与潜水作业，在英国等国家水深超过45 m如果没有开式潜水钟系统保障，潜水员可以拒绝下水。

开式潜水钟系统具有2种使用功能:一是以开式潜水钟为核心及其配套的吊放装置、热水供给装置和水面集中控制台组成的开式潜水钟系统，用于进行60 m以浅空气开式潜水钟作业;二是两用型潜水装具，除了可以与开式潜水钟配套使用外还可以用于浅水深度的空气管供式潜水作业。此外，该装具与氦气回收净化循环装置配套使用可以进行大深度氦氧混合气潜水作业。

本开式潜水钟系统在设计之初便定位于既可以进行60 m以浅空气开式潜水钟作业，又可以进行100 m以浅的氦氧饱和潜水。本系统是潜水员在水下作业的中继站，以及下潜、上浮及水下减压的运载工具，可以增加潜水员的安全感，提高潜水员的水下作业效率，减轻潜水员的劳动强度。

1 系统简述

开式潜水钟系统由两用型潜水装具、开式潜水钟、吊放装置、热水供给装置和水面集中控制台5个分系统组成。水下摄像系统作为开式潜水钟系统的子系统分散布置在潜水装具、开式潜水钟、吊放装置、水面集中控制台各分系统中。开式潜水钟系统的组成如图1所示。

1）潜水装具

本系统所涉及到的潜水装具主要是潜水员潜水头盔 (面罩），头盔内部耳机和麦克风，头盔顶部水下摄像机和照明灯。

本开式潜水钟有2名潜水员，每名潜水员各配置1套水下摄像机和水下照明灯。

2）开式潜水钟

开式潜水钟是开式潜水的载体，涉及到水下摄像系统的包括潜水钟钟体、开式潜水钟脐带、潜水员脐带、钟内照明灯、钟内摄像机、钟外摄像机、钟外照明灯、摄像照明配套电缆等。

3）潜水钟控制台

开式潜水钟作业所需要的气、水、电均通过潜水钟控制台提供。而针对开式潜水钟摄像系统来说，潜水钟所有的供电、视频均要通过潜水钟控制台进行控制，吊架摄像机供电及控制通过潜水钟控制台，与潜救指挥中心信息和视频的双向传输也是通过潜水钟控制台。

4）潜水钟脐带

潜水钟脐带是开式潜水钟供气、供水、视频、通信、供电的中继。

5）吊放装置

吊放装置完成潜水钟及导缆压载吊放，吊放装置包括吊架、主/导绞绞车、液压泵站、脐带卷车及操纵用的各类控制器等组成。而在吊放装置的吊架上专门部署了吊架摄像机。而吊放装置中还包括为潜水钟提供气、水、电转换的集电环。

2 系统组成

开式潜水钟摄像系统主要包括以下组件:

1）摄像系统前端

摄像及通信系统前端设备包括潜水员摄像机、潜水员照明灯、水下照明灯、钟内摄像机、钟外摄像机、钟内外照明灯以及吊架摄像机等。

2）中继单元

摄像系统中继单元包括吊放装置中的集电环、潜水钟脐带、潜水员脐带、水面转接箱、与潜救指挥中心的视频通信中继、光纤转换单元及配套的水面中继电缆等。

3）控制端

开式潜水钟摄像系统的控制端有水面控制单元和硬盘录像机等，全部设置于潜水钟控制台上。

4）供配电电源及控制部分

供配电电源及控制部分位于潜水钟控制台上，包括为摄像机、照明灯提供的直流远程供电电源，还包括为控制端的各控制主机提供的交流供电电源，包括各供电电源输出的控制部分。

图1 开式潜水钟摄像系统组成框图Fig.1 Themonitoring system diagram of opening-diving bell

3 系统关键技术

摄像系统涉及的关键技术主要包括:

1）水下低照度视频成像及字符叠加实时显示技术

①CCD摄像机驱动电路

本系统的应用环境为水下低照度环境，同时应用环境通常受到海水浑浊度的影响。因此，在设计CCD摄像机驱动电路时需要重点考虑该因素。

②OSD技术

开式潜水钟摄像系统设计要求将深度信息叠加显示在潜水员手持摄像机画面上，要求将潜救指挥中心传输来的水文综合信息叠加显示在潜救全景监控画面上。上述叠加信息能够根据实时采集的数据变化。所有的信息均叠加在基带传输视频图像 (同轴传输）上，不影响当前画面的显示。

2）视频信号远距离传输技术

开式潜水钟摄像系统采用视频信号与电源共缆传输，存在一定的信号干扰;视频信号在低照度条件下获取，视频信号相对较弱;信号传输距离相对较远，视频信号衰减相对较大。因此，在本系统设计中对于视频信号，结合抗干扰、抗衰减、提高远传能力的思想，前端 (潜水员端）视频信号经过非平衡转平衡信号采用双绞线进行远传，在后端控制台上的水面控制单元处将平衡传输信号转换为非平衡信号通过同轴电缆传输显示［2］。

3）海水深度测量及多机通信技术

①压力传感器信号放大、采集、处理电路

对于海水压力感应，数字式压力传感器是一个理想的解决方案，在此，要求压力传感器结构紧凑、精度高、低温漂 (带温度补偿）且还要耐海水腐蚀。

②多机通信

本系统的多机通信主要是针对水面控制单元与潜水员1、潜水员2、潜救指挥中心三方的双向数据通信。通信内容是水面控制单元对潜水员1和2的控制以及潜水员1、2深度值向水面控制单元的抄报。

4 系统设计实现

摄像系统主要包括潜水员摄像机设计和水下照明灯设计。

4.1 潜水员摄像机设计

潜水员水下摄像机内部集成了摄像机机芯、镜头、深度传感器及信号处理电路、视频信号远距离传输模块、相应的电路板以及承压水密部件。

1）摄像机机芯及镜头的选型

本摄像机采用Sony机芯，它具有600TV线的水平清晰度，传感器的最低照度为0.03 Lux，摄像机机芯布置紧凑，整体尺寸为32 mm×32 mm。

摄像机镜头采用焦距为f=2.8 mm的广角镜头，满足大视场的观察要求，其观察角度可以达到80°左右。

2）压力传感器选型及信号调理［3］

本系统采用的 NS－3压力传感器量程为0－1.25 MPa(表压），精度为0.3%。压力传感器的输出信号 (经过压电转换）为mV信号，NS－3出厂检测结果表明:在1.25 MPa压力下，其最大输出为47.06 mV。在进入MCU单片机进行数据采样前，必须对此mV信号进行驱动放大。

另一方面，结合压力传感器的使用，每个压力传感器和控制及处理电路还需要进行2个方面的调整:一方面是压力传感器零点的调零，另一方面是最大深度时最大测量值的统一，从而实现2个潜水员所配置深度测量单元输出值的一致性。

信号的放大处理至为重要，其好坏直接影响整个测量系统的精度。由于该传感器为桥式差分输出，同时考虑到传感器制作工艺及自身性能对放大电路造成的“零点变化”问题，因此考虑采用具有“零点调节”功能的仪表放大电路。再结合考虑诸如芯片封装、性能参数、外接电路的复杂性等因素，考虑基于MAX4461HEUT－T和LM7301M5来搭建放大电路。MAX4461H内部逻辑如图2所示。

图2 压力传感器信号调理电路Fig.2 The signal regulation circuit of pressure sensor

MAX4461HEUT－T是采用间接电流反馈结构所设计的新型仪表放大器，出厂时的缺省增益为100，封装形式为6SOT23－6。利用 LM7301M5来构建第2级放大电路，其作用有2个:一是放大作用，将该级达到增益控制在1～1.5之间;二是“零点调节”功能，补偿由于传感器制作工艺及自身性能对放大电路所造成的“零点变化”问题。

3）字符叠加模块

视频信号字符叠加模块［4］基于美信公司的单通道单色随屏显示 (OSD）发生器MAX7456搭建。它负责将深度传感器测量到的深度值 (经过MCU采样）及相应的潜水员编号叠加到前端摄像机机芯输出的图像上，然后传输给双绞线转换接口板。

MAX7456芯片集成了外同步视频驱动、信号分离器、视频切换与EEPROM等模块，所需外围电路较少，实现简单，可自动识别NTSC和PAL制信号，适合在全球电视行业使用，且用户可通过SPI串行接口预加载自定义的256个字符，用户可以根据需要任意调用或改写其内部字符存储其中的内容。

图3 潜水员摄像机字符叠加电路Fig.3 The character overlapped circuit of diver camera

4）视频信号远距离传输模块

本系统采用EL5171和EL5172构成的中短距离传输有源发送器和接收器实现视频信号的远距离双绞线传输。有源发送器和接收器，除了匹配转换外，还可放大信号并进行频率补偿，提高画面的清晰度。

5）单片机控制模块

图4 EL5171与EL5172构成双绞线发送器和接收器传输系统Fig.4 The twisted-pair transmission and receiving system based on EL5171 and EL5172

综合考虑系统的硬件设计需求，潜水员水下摄像机采用单片机 (MCU）作为控制及处理板的控制核心，模块中的MCU选用PIC16F873，它也是整个潜水员水下摄像机的核心，它对深度传感器的测量输出 (mV信号）进行采样计算转换为深度值，它控制视频信号的OSD字符叠加，同时控制潜水员水下摄像机与水面控制单元的串口通信。

图5 潜水员水下摄像机控制模块Fig.5 The controllingmodule of divers'underwater camera

4.2 水下照明灯的设计

对于水下摄像来说，摄像机与照明灯［5－7］的配合是一个非常重要的环节，它关系到水下成像的质量，同时照明也严重影响到潜水钟、潜水员水下作业的能力。

一方面，不同的水下摄像机所需要配置的照明灯的性能指标也不同;另一方面，根据照射距离，照射角度要求的不同，照明灯的性能指标也会表现出较大的需求差异，同时还要结合考虑到水下照明时海水对光的传输衰减。

本系统采用的摄像机图像传感器的最低照度为0.03 Lux，也就是像面最低照度为Efp=0.03 Lux。

水下的观测距离约为1.6 m(按2 m算），摄像机观测角度80°，水下照明灯的照射角度约为80°。

假设目标外表面特性接近于朗伯漫射体，目标的照度为Esc。

其中:F=0.28，为镜头的光圈值;ρ=0.2，为目标的反射率;τ=0.85，为光学透镜的透过率;a=0.22，为近海光学吸收系数。

即2 m外的被摄目标的照度为10 Lux，由此可推算摄像机附近配置的照明等所需要的功率和光通量。

由于潜水员摄像机和照明灯安装距离很近，水下辅助照明和水下摄像机可以认为它们距水下目标的距离相等，由此可对水下辅助照明灯的亮度进行估算。

水下辅助照明灯的发光强度I0由下式计算:

设光源的照射角度80°，则该范围各方向上均匀发光，则光通量为

考虑到照明灯的透光率为75%，电气效率为80%，并采用新型LED照明灯光源的长期功效为60 lm/W。将LED光源功率选择为10 W。但本设计中，为了保证有足够的照明余度，以及照明区域边沿的亮度，选择照明灯的功率提升至12～13W。

5 系统海上试验

开式潜水钟摄像系统交付后，先后完成了联调试验、系泊试验、航行试验等，顺利交付海军部队。

系统交付过程中先后解决了一系列的问题，如脐带电缆双绞线视频传输阻抗匹配问题，水面单元视频接口模块高频补偿、自激振荡问题，深度传感器测量值与压力表深度读书偏差问题，与潜救指挥中心视频双向传输问题等。海上航行试验在南海海域完成，潜水中顺利吊放至水下60 m，过程中各路视频信号正常，各路双向通信信号正常，与潜救指挥中心的视频、信息传输显示正常。过程中视频画面所叠加的深度、水文信息显示正常，各项深度测量值一致性强，深度测量值在误差允许的范围内。

6 结语

各项试验结果表明:

1）系统所有技术指标满足开式潜水钟摄像系统技术规格书的要求。

2）系统操作简单、使用方便，图像清晰、直观，能够有力保障开式潜水钟系统的安全运行，提高了水下作业的安全性和作业效率。

3）系统采用模块化设计，维修保养方便、快捷，系统的升级能力较强。

本系统的成功研制为开拓水下作业工具市场奠定了基础，将来可以进一步为海洋开发、海洋石油勘探、潜水打捞、水下作业等提供全面的解决方案。

［1］张剑，冶建宏，杨茂，等.开式潜水钟的研制［J］.中国救助与打捞，2004，28(3）:25.

［2］吴海滨，唐磊，吴彬.监控系统中视频信号的双绞线传输［J］.安徽教育学院学报，2004，25(3）:38 －40.

［3］周静，田文鹤.压力传感器信号调理模块的设计与实现［J］.仪表技术与传感器，2011(1）:11 －12.

［4］张志华，吴建雪.基于MAX7456的视频字符叠加系统设计［C］.2009通信理论与技术发展－第14届全国青年通信学术会议，2009:468－472.

［5］张法全，王国富，叶金才，等.水下光学监控系统照明方式的研究［J］.光子学报，2011(7）:1061－1065.

［6］孙传东，陈良益.水的光学特性及其对水下成像的影响［J］.应用光学，2000(4）:39 －46.

［7］JAFFE J S.Computer modeling and the design of optimal underwater imaging systems［J］.Oceanic Engineering，1990，15(2）:101 －111.

Design of underwater monitoring system for opening-diving bell

CHEN Bing，ZHANG Yan-min，XIE Ren-fu
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

The opening-diving bell has unique properties and advantages in developed countries such as Britain and America，in these countries which is widely used.The underwater videotape system is the subsystem of the opening-diving bell system，it is dispersion in every diving apparatus，opening-diving bell;sling the device and the centralized control console each subsystem.This paper，based on the new underwater camera，LED lighting technology，we designed a compact，high reliability underwater videotape system.

opening-diving bell;underwater videotape;LED lighting

TM923.56

A

1672－7649(2014）05－0135－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.028

2013－06－13;

2013－08－02

陈兵(1979－），男，硕士，工程师，从事安全防范系统设计。