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水下攝像機在工程中的應用與發展

發布者:威視悅達 發布時間:2016/11/17 12:28:06 閱讀:次 【字體:

 隨著開發海洋、江河與湖泊科學事業的發展,水下工程的規模越來越大,水下攝像機監控已成為開發水域的眼睛,其應用已越來越廣泛。

由于超聲波技術的進步,過去利用聲納等進行水中情況的調查觀測相當普遍,但這些都是間接觀測的方法。而直接觀測可用潛水員或潛水調查船以及水中 攝影等方法,但這些方法存在著要訓練潛水員,且水深只能在50米以內,因而有代價高,不經濟以及不能即時反映實況等不足之處。由此發展了水下攝像機監控, 它在安全性、及時性、經濟性等方面極為出色,而且可與錄像機、水中攝像機配合使用,得到更佳效果。

近年來,隨著光電技術的發展以及各種新型的攝像元器件的不斷出現,低照度和耐輻照的水下攝像機攝像機正在惡劣環境下得到廣泛的應用。紅外、變焦距、廣角和旋轉式以及仰角遙控鏡頭等特殊光學系統也提高了水下攝像機監控的性能,并擴大了它的實用范圍。

水下攝像機監控技術的發展,主要是發展遙控式水下攝像機車(自游式水下攝像機),水下攝像機攝像機的小型化,并研制激光電視、超聲波電視和耐輻照電視等。今后隨著海洋等水域事業的不斷發展,水下攝像機監控系統將越來越成為不可缺少的重要工具。

1。2水下攝像機監控的作用

水下攝像機監控主要用于水下作業的監視,在目前,已用于下列幾個領域:

(1)海中土建工程:礁盤和海底情況的初步調查,工程管理,完成情況的檢查,以及作為水中推土機等水下作業的輔助設備。

(2)水中資源的調查、觀測,海底礦物,海底油田以及珍珠、珊瑚和各種海藻的調查研究。

(3)漁業方面:在某特定水域設置的魚網及人工魚礁的實際情況調查,魚群的探測等。

(4)沉船的調查,打撈過程的監視以及對所需修理船艦水下部分的檢查和估價等。

(5)水力發電水下淤泥的監察和發電廠給水管線內部的檢查和焊接。

(6)江河與水庫堤壩的監察及其他水下建筑設施的定期檢查。

(7)潛艇水下偵察。

(8)核電站用的現場監察設備。

水下攝像機監控技術上的各種問題隨用途、目的而有種種不同,一般要考慮下列幾個問題:

1。3水中光的吸收和散射對圖象質量的影響

水下攝像機監控在光學方面與陸地上使用的電視監控有兩點不相同:

(1)光的衰減非常之大;

(2)由于水中存在各種污濁物,使得光的散射現象相當嚴重。

上述兩點是左右電視圖象質量的根本問題,在水中,光的衰減現象隨水的性質以及浮游生物和其他懸浮物的不同而不同,并且隨光的波長而變化,對于第 一個問題,若僅僅是光的衰減現象的話,用加強光源即可解決。可是,對第二點光的散射現象卻隨光的增強而增大,在水中懸浮物比較多的情況下進行攝影,就象地 面上霧很大一樣,波長長的光衰減非常大,這種現象與在空氣中正好相反,在一般空氣中,λ越大,衰減越小,故在這種場合波長越長的光,能達到的地方越遠,紅 外線攝影能特別有效地攝取很遠的東西,但紅外攝影不能通過霧或雨,因為紅光在水中將被吸收。由于在水中光的衰減比在空氣中大,特別是波長長的光衰減大,故 產生了光源的選擇問題。

在水中,光的散射現象多數是由于水中浮游生物,塵土,懸浮物等的存在,通常是由膠體粒子的存在而造成。光在水中前進過程中,由于吸收造成的衰減 與由于散射造成的衰減,即使在非常干凈的、透明的水中,光的衰減也有60%是散射造成的,40%是吸收造成的,所以說在水中光的衰減很大一部分是散射造成的。

1.4水下照明光源的選擇及其放置問題

一般來說,太陽是只能達到水下20~30米,因此水深20~30米以上都應使用人工照明,而在透明度惡劣的海域,不到這個深度也需照明。

(1)光源的選擇

由于在水中波長長的光衰減大,因此,選擇波長短的光源可獲得更佳的照明效果。但是,在透明度較差的港灣和河川中,應選擇波長適中的光源,在水中污濁物質多的時候,光的散射也多。這樣便要把海洋的場所與狀態二者結合起來綜合考慮光源的選擇。

白熾燈輻射光的主要區域是紅光,對特殊設計的水下攝像機攝像機來說,效率非常低,目前使用的光源主要有碘素石英燈,碘化鉈燈,水銀燈,以及氙燈 等。碘化鉈輻射的光能大部分集中在藍與綠范圍內,水對它吸收很少。水下攝像機采用這種光源與白熾燈相比,在相同的功率條件下,效率在六倍以上。水銀燈效率 也很高。由于它能發出在水中最易通過的藍綠色光,因此也得到廣泛應用。

水對光的光譜吸收相當于加一藍色濾色鏡,引起圖像的彩色失真,故對彩色攝像影響較大,要考慮加以補償,對于一般的黑白電視攝像則不存在這個問題。

(2)照明燈的位置和照射方向的考慮

在水中,光的吸收和散射會嚴重地影響到圖像質量,因此,除了考慮光源的選擇外,對照明的位置和照射方向也要作種種考慮。

在水中,被攝物體的照度與至光源距離的平方成反比。另外,被攝物體的反射系數越大,則越亮。因為即使光源變得非常強,但由于懸浮微粒的暈光作用也變強,要透過很遠距離就有困難,為此,照明光源的位置要盡量設置在被攝物體附近。

1.5水下攝像機、鏡頭與信號傳遞方式的選擇

(1)水的折射與光學系統的選擇

由于水的折射比空氣大,電視攝像機的畫面視角在水中要比在空氣中窄四分之一。為空氣中的四分之三。為了能在較廣泛范圍內觀察被攝物體,水下攝像機的攝像機必須選擇廣角透鏡。另外,透鏡要求有盡可能高的透射率。

(2)靈敏度和攝像機的選擇

由于水中亮度不夠,用人工照明加以補償這是可以的。但是,提高攝像機本身的靈敏度也是十分重要的,因此需要考慮攝像機的選擇問題。

過去一般都采用調整簡便的光導攝像管。但它在圖像殘留,靈敏度方面有不足之處。目前多采用CCD攝像機,由于它具有體積小、重量輕、功耗低,可靠性好,無燒傷現象,能抗震以及光譜響應寬等優點,正被廣泛地應用。而且由于種類多,還可以挑選高靈敏度的CCD攝像機。

(3)視頻信號傳遞方式的考慮

水下攝像機攝像機的機動性要比陸地上差得多,所以視頻信號的傳送要作多種考慮。圖像信號的傳送通常使用同軸電纜,電視攝像機的圖像信號的帶寬通 常從直流到數兆赫,在數公里的深處使用時,要提高由攝像機發送信號的高頻電平。在接收端也同樣采取高頻補償的辦法。深度再深,則要考慮采取調頻方法或脈碼 調制辦法,以防止在傳輸途中信號惡化。

此外,窄帶系統也可考慮使用超聲波傳送圖像,或用激光傳送。

1.6水下防腐問題的考慮

水密箱的材料必須耐腐蝕,對于攜帶型的攝像機,為達到輕量的目的,使用耐腐蝕性輕質合金。對懸浮型攝像機,則使用黃銅或不銹鋼。對耐輻照型攝像 機,其外殼使用耐輻照性能好的不銹鋼作為殼體,并能防腐蝕。在結構上需采取端面密封的形式以達到水密性能的要求,如果是采用翻砂鑄造的,氣泡損壞水密的情 況很多,因此還要采用環氧樹脂浸復工藝處理。

水下攝像機攝像機每次使用后要用清水洗滌以免腐蝕,長期放置海中的則用不銹鋼為好。連續使用二個月的水下攝像機攝像機,為了不致腐蝕到箱體本 身,可加上一個可調換的電極,外加一直流偏置電壓。由于攝像機的電纜,被覆的小孔隙會損壞水密性,故需使用氯丁乙烯橡膠被覆。在600米以上的深海使用 時,電纜芯線的填充材料要求用剛性很強的材料。

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