水下无人作业监控系统构架
梁克
摘 要：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，水下摄像机技术已成为开发水域的眼睛，其应用已越来越广泛，本文根据水下作业环境特点对现有设备进行了性能分析，并对水下监控系统架构进行研究和必要探讨。
关键词：水下摄像机 水下光源 监控系统 无人作业
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，水下摄像机技术已成为开发水域的眼睛，其应用已越来越广泛。尤其是在水下沉船打捞及水下特种作业时，作业人员更加需要依靠水下摄像机技术获得水下直观的实时监控图像，以保证水下作业的安全性和可靠性。水下摄像机技术已成为水下作业时不可缺少的重要工具，本文根据水下作业环境特点对现有设备进行了性能分析，并对水下监控系统架构进行研究和探讨，为水下无人作业监控系统提供新思路和参考。
技术选择及特性分析
1、水下摄像机
目前，随着光电技术的发展和超声波技术的发展，以及各种新型的摄像元器件的不断出现，水下摄像机的性能进一步提高，适应各种恶劣工作环境，扩大了实用范围。按照工作原理，水下摄像机分为水下可见光摄像机、水下激光摄像机和水下超声波摄像机。
1.1水下可见光摄像机
水下可见光摄像机使用比较普遍，它与陆地上使用的普通摄像机原理相同。但是水下环境的特殊性，特别是水介质的光学特性，使得水下成像与陆地上的成像系统大为不同，这其中包括水对光的吸收和散射对光学成像的影响，水压和海水的腐蚀等。
水对光的吸收是在不同的光谱区域是不同的，水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收。纯净的水和清澈的海水在光谱的蓝-绿区域透射比最大，但即使在这个蓝-绿窗口，水的吸收也足以使光的强度衰减约0.04/m。其他颜色的光被吸收的更多，几米之外，几乎完全消失了。
由于水中存在着悬浮的质点， 水对光的散射对图象的衬比和细节都造成极为有害的影响， 随着拍摄距离的增大， 画面衬比降低， 影象的细节模糊， 影响成象质量， 使摄录变得困难， 所以水下摄录距离， 一般不超过十几米. 散射中又包含小粒子散射、大粒子散射、单次散射、多次散射、小角度散射、大角度散射等多种方式， 它们使目标变得模糊不清和难以辨认， 这是水下光电探测系统所面临的最为严重的问题。
由于水对光的吸收和散射，使得光在水中传输时的能量按指数规律迅速地衰减。设是某水层的光量，传输了L路程后的光量I为：■，可见光的光波波长范围在770～350纳米之间，波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同，其中红光在水中的衰减最大，故在陆地上使用较广泛的红外摄像机在水中几乎不能用。
1.2水下激光摄像机
常规可见光水下摄像机由于光线在水中快速衰减，在一定深度以下往往需要辅助照明，且由于照明光后向散射的影响，使得人眼直接观察以及传统连续照明电视成像的有效作用距离较短。因此，提高水下光电成像系统的作用距离和细节分辨能力需要采用特殊的光电成像方法。由于激光的能量大，且可以选择水中衰减最小的蓝绿激光，成像效果相对好些，水下激光摄像机目前正处于研究阶段，并已经在某些水下场合中得到应用。
1.3超声波水下摄像机
超声波水下摄像机就是成像声纳系统。由于在水下，光学成像系统的可视距离有限，尤其是当水质非常浑浊时（比如近海、港口、河口或水底作业卷起的泥沙等情况下，水质非常浑浊）能见度极低，几乎为零，再加上水体对通过其中的光线的折射及气泡和浮游物的影响，成像的图像很难辨别。这就限制了人类利用常用方法对水下世界的感知和理解。不过，在同样条件下，以声波作为信号载体的声成像系统受到的约束就要小的多。声成像系统能克服复杂的水文环境，同时又具有较远的作用距离，使得它能在各种规模的水下探测中应用。在低频段，声波传播距离较远，可利用声纳回波信号的频谱等特征进行舰船噪声识别等工作。在高频段，在近百米的距离上，可实现声纳目标成像，从而完成各种水下探测任务。
2、水下光源
一般来说，太阳光只能达到水下20～30米，因此水深20～30米以上都应使用人工照明，而在透明度恶劣的水域，不到这个深度也需照明。
为了使水下摄像机的成像效果更好，光源的选择也很重要。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，氙灯以及LED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。LED灯可以选择水下透光最好的蓝绿光LED，并且其节能效果较好，是正在发展应用的一种水下用灯光。
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。
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。
3、摄像机性能分析
根据以上分析，综合各种类型水下摄像机的特点，确定选择可见光摄像机和超声波摄像机。可见光摄像机用在水质清澈的情况下，实现近距离观察作业状态的用途。超声波摄像机实现远距离观察和引导水下机器人的用途，还实现在水质浑浊的条件下，辅助观察作业状态的用途。
水下无人作业监控系统方案
1、系统的主要功能
系统能够通过声纳技现对水下无人作业位置区域精确定位，对作业信息实时监测；主要功能包括：①低可见度/零可见度水下作业位置的确定；②作业过程和工作环境的实时监控；③作业设备工作状态的实时监控。
2、系统组成
根据无人作业监控系统功能要求，为配合特定作业系统，需至少配置1台高分辨率彩色摄像机、1台水下照明灯进行视频监控，同时配置1台多波束前视声呐，用于低可见度/零可见度环境下的成像探测（见图1）主要组成部分如下：①水下摄像机及附件，包括水下摄像机、摄像机耐压壳体及相关附件、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、照明灯光源及驱动电路、固定支架；③多波束前视声呐，包括水下前视声呐及相关附件、水密接头、固定支架；④水下安装固定及调节支架；⑤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、声呐用电缆、水密接头；⑥水下导向稳定系统。
图1 水下无人作业监控系统组成
结论
水下无人作业监控系统性能的发挥一方面依赖设备本身有良好的特性与功能，另一方面也要依赖设备良好的布局，所以寻求水下摄像机、照明系统与多波束前视声呐的最优布局是本系统的关键所在，照明灯的位置对于成像质量具有关键的影响，不同角度对成像质量有较大的影响，要求照明灯尽可能向目标靠近。同时，照明灯的布局也要考虑拍摄视场范围内的照明灯光要均匀并且充实。
参考文献：
[1]丁继胜，刘忠巨，周兴华等.多波束测深声纳系统的工作原理[J].海洋测绘，1999，（3）：15-22
[2]屈新岳，宋蕾，于露.海洋光学特性对水下图像录取系统的影响[J].科技信息，2007，（31）：20-84
（作者单位：交通运输部水运科学研究所）
