[科普中国]-水下摄象机

背景

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。

定义水下摄像机，又名水下摄影机，采用高质量电缆为视频传输控制线，外加控制箱，放线绞车等辅助控制设备组成的水下摄像系统。主要应用于石油、深水探测，水下作业，海洋渔业等水下领域。主要功能是测量，监控，勘探等等。可以在水下用的摄影机，外加密封抗压外壳，一般采用工业摄像机为核心部件。

高精度水下摄像机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。12

功能及性能设计要求水下摄像机具有如下主要功能：

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3m， 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；

6) 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。

系统组成根据高精度水下摄像系统的技术要求， 水速摄像机主要组成部分如下：

1) 水下摄像机及附件，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。

水下摄像机的研制对水下摄像机进行承压、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。

水下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（如图）。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。

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， 水下摄像机耐压壳体采用不锈钢。水下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。

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， 是实现水下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。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， 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。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， 在前组可使用较厚的鼓型透镜， 在后组可采用多片正负分离透镜， 使用高折射率镧火石玻璃。

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。承压光学玻璃采用锥状设计， 不仅减小承压接触面积 ( 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 。3

水下照明灯组成对于高精度水下摄像系统来说， 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。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

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， 考虑性价比、强度、重量、耐腐蚀性、后处理复杂性等因素，水下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。

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。

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。4

水下电缆传输部分水下传输电缆的设计定制水下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

水下复合电缆水下复合电缆将水下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。

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

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。