水下摄像机在工程中的应用与发展

 随着开发海洋、江河与湖泊科学事业的发展，水下工程的规模越来越大，水下摄像机监控已成为开发水域的眼睛，其应用已越来越广泛。

由于超声波技术的进步，过去利用声纳等进行水中情况的调查观测相当普遍，但这些都是间接观测的方法。而直接观测可用潜水员或潜水调查船以及水中 摄影等方法，但这些方法存在着要训练潜水员，且水深只能在50米以内，因而有代价高，不经济以及不能即时反映实况等不足之处。由此发展了水下摄像机监控， 它在安全性、及时性、经济性等方面极为出色，而且可与录像机、水中摄像机配合使用，得到更佳效果。

近年来，随着光电技术的发展以及各种新型的摄像元器件的不断出现，低照度和耐辐照的水下摄像机摄像机正在恶劣环境下得到广泛的应用。红外、变焦距、广角和旋转式以及仰角遥控镜头等特殊光学系统也提高了水下摄像机监控的性能，并扩大了它的实用范围。

水下摄像机监控技术的发展，主要是发展遥控式水下摄像机车（自游式水下摄像机），水下摄像机摄像机的小型化，并研制激光电视、超声波电视和耐辐照电视等。今后随着海洋等水域事业的不断发展，水下摄像机监控系统将越来越成为不可缺少的重要工具。

1.2水下摄像机监控的作用

水下摄像机监控主要用于水下作业的监视，在目前，已用于下列几个领域：

（1）海中土建工程：礁盘和海底情况的初步调查，工程管理，完成情况的检查，以及作为水中推土机等水下作业的辅助设备。

（2）水中资源的调查、观测，海底矿物，海底油田以及珍珠、珊瑚和各种海藻的调查研究。

（3）渔业方面：在某特定水域设置的鱼网及人工鱼礁的实际情况调查，鱼群的探测等。

（4）沉船的调查，打捞过程的监视以及对所需修理船舰水下部分的检查和估价等。

（5）水力发电水下淤泥的监察和发电厂给水管线内部的检查和焊接。

（6）江河与水库堤坝的监察及其他水下建筑设施的定期检查。

（7）潜艇水下侦察。

（8）核电站用的现场监察设备。

水下摄像机监控技术上的各种问题随用途、目的而有种种不同，一般要考虑下列几个问题：

1.3水中光的吸收和散射对图象质量的影响

水下摄像机监控在光学方面与陆地上使用的电视监控有两点不相同：

（1）光的衰减非常之大；

（2）由于水中存在各种污浊物，使得光的散射现象相当严重。

上述两点是左右电视图象质量的根本问题，在水中，光的衰减现象随水的性质以及浮游生物和其他悬浮物的不同而不同，并且随光的波长而变化，对于第 一个问题，若仅仅是光的衰减现象的话，用加强光源即可解决。可是，对第二点光的散射现象却随光的增强而增大，在水中悬浮物比较多的情况下进行摄影，就象地 面上雾很大一样，波长长的光衰减非常大，这种现象与在空气中正好相反，在一般空气中，λ越大，衰减越小，故在这种场合波长越长的光，能达到的地方越远，红 外线摄影能特别有效地摄取很远的东西，但红外摄影不能通过雾或雨，因为红光在水中将被吸收。由于在水中光的衰减比在空气中大，特别是波长长的光衰减大，故 产生了光源的选择问题。

在水中，光的散射现象多数是由于水中浮游生物，尘土，悬浮物等的存在，通常是由胶体粒子的存在而造成。光在水中前进过程中，由于吸收造成的衰减 与由于散射造成的衰减，即使在非常干净的、透明的水中，光的衰减也有60%是散射造成的，40%是吸收造成的，所以说在水中光的衰减很大一部分是散射造成的。

1.4水下照明光源的选择及其放置问题

一般来说，太阳是只能达到水下20~30米，因此水深20~30米以上都应使用人工照明，而在透明度恶劣的海域，不到这个深度也需照明。

（1）光源的选择

由于在水中波长长的光衰减大，因此，选择波长短的光源可获得更佳的照明效果。但是，在透明度较差的港湾和河川中，应选择波长适中的光源，在水中污浊物质多的时候，光的散射也多。这样便要把海洋的场所与状态二者结合起来综合考虑光源的选择。

白炽灯辐射光的主要区域是红光，对特殊设计的水下摄像机摄像机来说，效率非常低，目前使用的光源主要有碘素石英灯，碘化铊灯，水银灯，以及氙灯 等。碘化铊辐射的光能大部分集中在蓝与绿范围内，水对它吸收很少。水下摄像机采用这种光源与白炽灯相比，在相同的功率条件下，效率在六倍以上。水银灯效率 也很高。由于它能发出在水中最易通过的蓝绿色光，因此也得到广泛应用。

水对光的光谱吸收相当于加一蓝色滤色镜，引起图像的彩色失真，故对彩色摄像影响较大，要考虑加以补偿，对于一般的黑白电视摄像则不存在这个问题。

（2）照明灯的位置和照射方向的考虑

在水中，光的吸收和散射会严重地影响到图像质量，因此，除了考虑光源的选择外，对照明的位置和照射方向也要作种种考虑。

在水中，被摄物体的照度与至光源距离的平方成反比。另外，被摄物体的反射系数越大，则越亮。因为即使光源变得非常强，但由于悬浮微粒的晕光作用也变强，要透过很远距离就有困难，为此，照明光源的位置要尽量设置在被摄物体附近。

1.5水下摄像机、镜头与信号传递方式的选择

（1）水的折射与光学系统的选择

由于水的折射比空气大，电视摄像机的画面视角在水中要比在空气中窄四分之一。为空气中的四分之三。为了能在较广泛范围内观察被摄物体，水下摄像机的摄像机必须选择广角透镜。另外，透镜要求有尽可能高的透射率。

（2）灵敏度和摄像机的选择

由于水中亮度不够，用人工照明加以补偿这是可以的。但是，提高摄像机本身的灵敏度也是十分重要的，因此需要考虑摄像机的选择问题。

过去一般都采用调整简便的光导摄像管。但它在图像残留，灵敏度方面有不足之处。目前多采用CCD摄像机，由于它具有体积小、重量轻、功耗低，可靠性好，无烧伤现象，能抗震以及光谱响应宽等优点，正被广泛地应用。而且由于种类多，还可以挑选高灵敏度的CCD摄像机。

（3）视频信号传递方式的考虑

水下摄像机摄像机的机动性要比陆地上差得多，所以视频信号的传送要作多种考虑。图像信号的传送通常使用同轴电缆，电视摄像机的图像信号的带宽通 常从直流到数兆赫，在数公里的深处使用时，要提高由摄像机发送信号的高频电平。在接收端也同样采取高频补偿的办法。深度再深，则要考虑采取调频方法或脉码 调制办法，以防止在传输途中信号恶化。

此外，窄带系统也可考虑使用超声波传送图像，或用激光传送。

1.6水下防腐问题的考虑

水密箱的材料必须耐腐蚀，对于携带型的摄像机，为达到轻量的目的，使用耐腐蚀性轻质合金。对悬浮型摄像机，则使用黄铜或不锈钢。对耐辐照型摄像 机，其外壳使用耐辐照性能好的不锈钢作为壳体，并能防腐蚀。在结构上需采取端面密封的形式以达到水密性能的要求，如果是采用翻砂铸造的，气泡损坏水密的情 况很多，因此还要采用环氧树脂浸复工艺处理。

水下摄像机摄像机每次使用后要用清水洗涤以免腐蚀，长期放置海中的则用不锈钢为好。连续使用二个月的水下摄像机摄像机，为了不致腐蚀到箱体本 身，可加上一个可调换的电极，外加一直流偏置电压。由于摄像机的电缆，被覆的小孔隙会损坏水密性，故需使用氯丁乙烯橡胶被覆。在600米以上的深海使用 时，电缆芯线的填充材料要求用刚性很强的材料。