水下照明与摄像系统设计

方勇

（中国船舶重工集团公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌443003）

0 引言

海洋开发、水下作业、大坝水下检查、水下科学试验以及军事应用等，常常需要利用水下摄像机进行水下目标观测［1］。近年来，随着科学技术的飞速发展，特别是计算机和数字技术的进步，数字视频压缩技术、图像获取和记录技术、高分辨率的CCD传感器及小型低成本的视频摄像机和数码摄像机等被广泛用于水下摄像机的设计和制造中。美国、法国和俄罗斯已开发了多型水下摄像机，应用于资源勘探、科学考察和打捞作业［2－3］。20 世纪90 年代初，我国也相继投入大量的人力和物力进行水下摄像机的研究开发。

本文设计了一种用于水下工程的水下照明与摄像系统，本系统采用多台水密摄像装置进行水下布阵，获得高清晰的视频图像，实现对水下物体运动和动作的不间断观察；水密照明装置能够提供足够的目标照度；具有集中控制、深度检测和漏水报警等功能，已在水下工程中实际应用，取得了良好的效果。

1 系统组成及工作原理

水下照明与摄像系统组成如图1所示，主要由水密摄像装置、水密照明装置、升降机构、接口箱、电控及监视设备等组成。升降机构由升降架、升降轨道、绞车等组成，每一个升降架上安装1台水密摄像装置和2套水密照明装置，通过上下移动升降架调整水下摄像的位置和深度。水密摄像装置和水密照明装置通过1根水密电缆与控制台相连，由控制台给水下设备供电，水下视频信号、深度信号和漏水报警信号等也通过水密电缆传输给控制台，控制台可以实时显示、记录水下视频图像［4］。

图1 水下照明与摄像系统组成图

2 水密摄像装置

水密摄像装置用于系统水下摄像，由水密耐压筒体、摄像机、水密光窗、压力变送器、漏水报警电路等组成。水密耐压筒体为摄像装置提供水密的安装空间［5］，摄像机采用高灵敏度高分辨率彩色摄像机、广角镜头［6］，前面安装专为水下应用而特制的水密光窗。水密摄像装置内装有漏水报警装置，漏水时能及时报警并自动切断电源，以确保试验设备和人员的安全。水密摄像装置内安装压力变送器，用于测量摄像机的工作水深。水密摄像装置结构如图2所示。

图2 水密摄像装置结构图

3 水密照明装置

水密照明装置用于系统水下摄像的照明，在水下摄像范围内提供足够的目标照度，以保证水下视频图像的质量，选用卤钨灯作为光源。水密照明装置主要由水密耐压壳体、水密光窗、灯泡、灯座等组成，具有寿命长、工作可靠、性能稳定等特点，可以在水下长时间连续工作。水密照明装置结构如图3所示。

图3 水密照明装置结构图

4 升降机构

升降机构由升降架、升降轨道、绞车等组成，每一个升降架上安装1台水密摄像装置和两套水密照明装置，通过上下移动升降架调整水下摄像的位置和深度。升降导轨包括2根固定滑轨、4个滑轮和滑轮固定架，既可为升降架的上下移动提供轨道，又可限制升降架的前后及左右位移，保证水密摄像装置及水密照明装置相对固定在所需的位置和深度。升降架采用不锈钢型材焊接而成，主要用来固定水密摄像装置和水密照明装置，中间布置水密摄像装置，上下各布置1个水密照明装置，摄像装置与照明装置的间距为1m。水密摄像装置和水密照明装置的电缆跨过一个转向滑轮后与绞车连接，通过转动绞车，就可实现升降架的上下移动，使摄像机定位在所需深度。

5 电控及监视设备

水下照明与摄像系统的电控部分主要包括电源、控制台及电缆分配器等。系统供电由配电房引至集中控制室。为保证人员与设备的安全及系统供电电压均衡，在控制柜安装隔离变压器，为整个系统所有设备提供稳定的380V/220V三相四线制交流电源。

漏水报警：漏水报警板安装在水密摄像装置内，当水密摄像装置漏水时，继电器动作输出开关量到集中控制柜。

深度测量：水密摄像装置内安装压力变送器，测量摄像机的工作水深，并在控制台上实时显示。

控制台主要作用是控制、监视水下照明与摄像过程。本系统所有水下部分漏水报警，都可通过指示灯在控制台上显示出来，当水密摄像装置漏水时，继电器动作断开水密摄像装置电源，同时通过控制台的指示灯和蜂鸣器发出声光报警。

监视设备安装在控制台上，它可以实时显示、记录水下视频图像，记录的视频图像在需要时可以随时调取。

6 结语

水下照明与摄像系统能够不间断地观察水下物体的运动和动作，获得高清晰的视频图像，保证了水下工程的顺利开展。该系统已多次在水下试验和水下作业中应用，取得了良好的效果。

［1］ 宋成庆.谈普及型水下摄像机在我国海洋开发中的应用［J］.海洋技术，2000（2）：46-49.

［2］ 何迈.水下摄像（水下电视、钻孔电视）在工程中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2001（10）：1842-1843.

［3］ 沈凌敏.水下微光高速摄像系统在潜艇实验中的应用［J］.舰船科学技术，2009（11）：55-58.

［4］ 吴中平.水下电视摄像与照明系统［J］.电视技术，1999（9）：56-58.

［5］ 何福志.耐压液舱结构强度与稳定性［J］.船舶力学，2009（6）：915-922.

［6］ 孙传东.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.