水下攝像機應用

1.1前言
隨著開發海洋、江河與(yu) 湖泊科學事業(ye) 的發展，水下工程的規模越來越大，水下攝像機監控已成為(wei) 開發水域的眼睛，其應用已越來越廣泛。
由於(yu) 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，且水深隻能在50米以內(nei) ，因而有代價(jia) 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、經濟性等方麵極為(wei) 出色，而且可與(yu) VIDEO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係統也提高了水下攝像機監控的性能，並擴大了它的實用範圍。
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（自遊式水下攝像機），水下攝像機攝像機的小型化，並研製激光電視、超聲波電視和耐輻照電視等。今後隨著海洋等水域事業(ye) 的不斷發展，水下攝像機監控係統將越來越成為(wei) *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於(yu) 水下作業(ye) 的監視，在目前，已用於(yu) 下列幾個(ge) 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(wei) 水中推土機等水下作業(ye) 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(ye) 方麵：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(jia) 等。
（5）水力發電水下淤泥的監察和發電廠給水管線內(nei) 部的檢查和焊接。
（6）江河與(yu) 水庫堤壩的監察及其他水下建築設施的定期檢查。
（7）潛艇水下偵(zhen) 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(ge) 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麵與(yu) 陸地上使用的電視監控有兩(liang) 點不相同：
（1）光的衰減非常之大；
（2）由於(yu) 水中存在各種汙濁物，使得光的散射現象相當嚴(yan) 重。
上述兩(liang) 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遊生物和其他懸浮物的不同而不同，並且隨光的波長而變化，對於(yu) 第1個(ge) 問題，若僅(jin) 僅(jin) 是光的衰減現象的話，用加強光源即可解決(jue) 。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，就象地麵上霧很大一樣，波長長的光衰減非常大，這種現象與(yu) 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(dong) 西，但紅外攝影不能通過霧或雨，因為(wei) 紅光在水中將被吸收。由於(yu) 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(chan) 生了光源的選擇問題。
在水中，光的散射現象多數是由於(yu) 水中浮遊生物，塵土，懸浮物等的存在，通常是由膠體(ti) 粒子的存在而造成。光在水中前進過程中，由於(yu) 吸收造成的衰減與(yu) 由於(yu) 散射造成的衰減，即使在非常幹淨的、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，太陽是隻能達到水下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(ge) 深度也需照明。
（1）光源的選擇
由於(yu) 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，在水中汙濁物質多的時候，光的散射也多。這樣便要把海洋的場所與(yu) 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dian素石英燈，水銀燈，以及氙燈等。輻射的光能大部分集中在藍與(yu) 綠範圍內(nei) ，水對它吸收很少。水下攝像機采用這種光源與(yu) 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。由於(yu) 它能發出在水中易通過的藍綠色光，因此也得到廣泛應用。水對光的光譜吸收相當於(yu) 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(chang) ，對於(yu) 一般的黑白電視攝像則不存在這個(ge) 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(hui) 嚴(yan) 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(ti) 的照度與(yu) 至光源距離的平方成反比。另外，被攝物體(ti) 的反射係數越大，則越亮。因為(wei) 即使光源變得非常強，但由於(yu) 懸浮微粒的暈光作用也變強，要透過很遠距離就有困難，為(wei) 此，照明光源的位置要盡量設置在被攝物體(ti) 附近。
1.5水下攝像機、鏡頭與(yu) 信號傳(chuan) 遞方式的選擇
（1）水的折射與(yu) 光學係統的選擇
由於(yu) 水的折射比空氣大，電視攝像機的畫麵視角在水中要比在空氣中窄四分之一。為(wei) 空氣中的四分之三。為(wei) 了能在較廣泛範圍內(nei) 觀察被攝物體(ti) ，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
由於(yu) 水中亮度不夠，用人工照明加以補償(chang) 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，靈敏度方麵有不足之處。目前多采用CCD攝像機，由於(yu) 它具有體(ti) 積小、重量輕、功耗低，可靠性好，無燒傷(shang) 現象，能抗震以及光譜響應寬等優(you) 點，正被廣泛地應用。而且由於(yu) 種類多，還可以挑選高靈敏度的CCD攝像機。
（3）視頻信號傳(chuan) 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(chuan) 送要作多種考慮。圖像信號的傳(chuan) 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(cong) 直流到數兆赫，在數公裏的深處使用時，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(chang) 的辦法。深度再深，則要考慮采取調頻方法或脈碼調製辦法，以防止在傳(chuan) 輸途中信號惡化。
此外，窄帶係統也可考慮使用超聲波傳(chuan) 送圖像，或用激光傳(chuan) 送。
1.6水下防腐問題的考慮
水密箱的材料必須耐腐蝕，對於(yu) 攜帶型的攝像機，為(wei) 達到輕量的目的，使用耐腐蝕性輕質合金。對懸浮型攝像機，則使用黃銅或不鏽鋼。對耐輻照型攝像機，其外殼使用耐輻照性能好的不鏽鋼作為(wei) 殼體(ti) ，並能防腐蝕。在結構上需采取端麵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複工藝處理。
水下攝像機攝像機每次使用後要用清水洗滌以免腐蝕，長期放置海中的則用不鏽鋼為(wei) 好。連續使用二個(ge) 月的水下攝像機攝像機，為(wei) 了不致腐蝕到箱體(ti) 本身，可加上一個(ge) 可調換的電極，外加一直流偏置電壓。由於(yu) 攝像機的電纜，被覆的小孔隙會(hui) 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。在撓性方麵也要進行特殊設計。

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