陳 兵，張彥敏，謝仁富

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064）

開(kāi)式潛水鐘水下攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 兵，張彥敏，謝仁富

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064）

開(kāi)式鐘潛水具有獨(dú)特的性能和優(yōu)勢(shì)，在英美等發(fā)達(dá)國(guó)家使用廣泛。開(kāi)式潛水鐘水下攝像系統(tǒng)作為其子系統(tǒng)分散布置在潛水裝具、開(kāi)式潛水鐘、吊放裝置、水面集中控制臺(tái)各分系統(tǒng)中。本文基于新型水下攝像、LED照明技術(shù)設(shè)計(jì)出應(yīng)用于開(kāi)式潛水鐘系統(tǒng)的一種緊湊型、高可靠性水下攝像系統(tǒng)。

開(kāi)式潛水鐘;水下攝像;通信;LED照明

0 引言

開(kāi)式潛水鐘 (又稱濕式潛水鐘）是目前世界上五大潛水方式之一，可分為自攜式潛水、管供式潛水、開(kāi)式鐘潛水、邦司潛水和飽和潛水等［1］。由于開(kāi)式鐘潛水具有獨(dú)特的性能和優(yōu)勢(shì)，在英美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛使用，并且已進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)與潛水作業(yè)，在英國(guó)等國(guó)家水深超過(guò)45 m如果沒(méi)有開(kāi)式潛水鐘系統(tǒng)保障，潛水員可以拒絕下水。

開(kāi)式潛水鐘系統(tǒng)具有2種使用功能:一是以開(kāi)式潛水鐘為核心及其配套的吊放裝置、熱水供給裝置和水面集中控制臺(tái)組成的開(kāi)式潛水鐘系統(tǒng)，用于進(jìn)行60 m以淺空氣開(kāi)式潛水鐘作業(yè);二是兩用型潛水裝具，除了可以與開(kāi)式潛水鐘配套使用外還可以用于淺水深度的空氣管供式潛水作業(yè)。此外，該裝具與氦氣回收凈化循環(huán)裝置配套使用可以進(jìn)行大深度氦氧混合氣潛水作業(yè)。

本開(kāi)式潛水鐘系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初便定位于既可以進(jìn)行60 m以淺空氣開(kāi)式潛水鐘作業(yè)，又可以進(jìn)行100 m以淺的氦氧飽和潛水。本系統(tǒng)是潛水員在水下作業(yè)的中繼站，以及下潛、上浮及水下減壓的運(yùn)載工具，可以增加潛水員的安全感，提高潛水員的水下作業(yè)效率，減輕潛水員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)述

開(kāi)式潛水鐘系統(tǒng)由兩用型潛水裝具、開(kāi)式潛水鐘、吊放裝置、熱水供給裝置和水面集中控制臺(tái)5個(gè)分系統(tǒng)組成。水下攝像系統(tǒng)作為開(kāi)式潛水鐘系統(tǒng)的子系統(tǒng)分散布置在潛水裝具、開(kāi)式潛水鐘、吊放裝置、水面集中控制臺(tái)各分系統(tǒng)中。開(kāi)式潛水鐘系統(tǒng)的組成如圖1所示。

1）潛水裝具

本系統(tǒng)所涉及到的潛水裝具主要是潛水員潛水頭盔 (面罩），頭盔內(nèi)部耳機(jī)和麥克風(fēng)，頭盔頂部水下攝像機(jī)和照明燈。

本開(kāi)式潛水鐘有2名潛水員，每名潛水員各配置1套水下攝像機(jī)和水下照明燈。

2）開(kāi)式潛水鐘

開(kāi)式潛水鐘是開(kāi)式潛水的載體，涉及到水下攝像系統(tǒng)的包括潛水鐘鐘體、開(kāi)式潛水鐘臍帶、潛水員臍帶、鐘內(nèi)照明燈、鐘內(nèi)攝像機(jī)、鐘外攝像機(jī)、鐘外照明燈、攝像照明配套電纜等。

3）潛水鐘控制臺(tái)

開(kāi)式潛水鐘作業(yè)所需要的氣、水、電均通過(guò)潛水鐘控制臺(tái)提供。而針對(duì)開(kāi)式潛水鐘攝像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，潛水鐘所有的供電、視頻均要通過(guò)潛水鐘控制臺(tái)進(jìn)行控制，吊架攝像機(jī)供電及控制通過(guò)潛水鐘控制臺(tái)，與潛救指揮中心信息和視頻的雙向傳輸也是通過(guò)潛水鐘控制臺(tái)。

4）潛水鐘臍帶

潛水鐘臍帶是開(kāi)式潛水鐘供氣、供水、視頻、通信、供電的中繼。

5）吊放裝置

吊放裝置完成潛水鐘及導(dǎo)纜壓載吊放，吊放裝置包括吊架、主/導(dǎo)絞絞車(chē)、液壓泵站、臍帶卷車(chē)及操縱用的各類(lèi)控制器等組成。而在吊放裝置的吊架上專(zhuān)門(mén)部署了吊架攝像機(jī)。而吊放裝置中還包括為潛水鐘提供氣、水、電轉(zhuǎn)換的集電環(huán)。

2 系統(tǒng)組成

開(kāi)式潛水鐘攝像系統(tǒng)主要包括以下組件:

1）攝像系統(tǒng)前端

攝像及通信系統(tǒng)前端設(shè)備包括潛水員攝像機(jī)、潛水員照明燈、水下照明燈、鐘內(nèi)攝像機(jī)、鐘外攝像機(jī)、鐘內(nèi)外照明燈以及吊架攝像機(jī)等。

2）中繼單元

攝像系統(tǒng)中繼單元包括吊放裝置中的集電環(huán)、潛水鐘臍帶、潛水員臍帶、水面轉(zhuǎn)接箱、與潛救指揮中心的視頻通信中繼、光纖轉(zhuǎn)換單元及配套的水面中繼電纜等。

3）控制端

開(kāi)式潛水鐘攝像系統(tǒng)的控制端有水面控制單元和硬盤(pán)錄像機(jī)等，全部設(shè)置于潛水鐘控制臺(tái)上。

4）供配電電源及控制部分

供配電電源及控制部分位于潛水鐘控制臺(tái)上，包括為攝像機(jī)、照明燈提供的直流遠(yuǎn)程供電電源，還包括為控制端的各控制主機(jī)提供的交流供電電源，包括各供電電源輸出的控制部分。

圖1 開(kāi)式潛水鐘攝像系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Themonitoring system diagram of opening-diving bell

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

攝像系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:

1）水下低照度視頻成像及字符疊加實(shí)時(shí)顯示技術(shù)

①CCD攝像機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境為水下低照度環(huán)境，同時(shí)應(yīng)用環(huán)境通常受到海水渾濁度的影響。因此，在設(shè)計(jì)CCD攝像機(jī)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需要重點(diǎn)考慮該因素。

②OSD技術(shù)

開(kāi)式潛水鐘攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求將深度信息疊加顯示在潛水員手持?jǐn)z像機(jī)畫(huà)面上，要求將潛救指揮中心傳輸來(lái)的水文綜合信息疊加顯示在潛救全景監(jiān)控畫(huà)面上。上述疊加信息能夠根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)變化。所有的信息均疊加在基帶傳輸視頻圖像 (同軸傳輸）上，不影響當(dāng)前畫(huà)面的顯示。

2）視頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)

開(kāi)式潛水鐘攝像系統(tǒng)采用視頻信號(hào)與電源共纜傳輸，存在一定的信號(hào)干擾;視頻信號(hào)在低照度條件下獲取，視頻信號(hào)相對(duì)較弱;信號(hào)傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，視頻信號(hào)衰減相對(duì)較大。因此，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)于視頻信號(hào)，結(jié)合抗干擾、抗衰減、提高遠(yuǎn)傳能力的思想，前端 (潛水員端）視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)非平衡轉(zhuǎn)平衡信號(hào)采用雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)傳，在后端控制臺(tái)上的水面控制單元處將平衡傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換為非平衡信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸顯示［2］。

3）海水深度測(cè)量及多機(jī)通信技術(shù)

①壓力傳感器信號(hào)放大、采集、處理電路

對(duì)于海水壓力感應(yīng)，數(shù)字式壓力傳感器是一個(gè)理想的解決方案，在此，要求壓力傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、低溫漂 (帶溫度補(bǔ)償）且還要耐海水腐蝕。

②多機(jī)通信

本系統(tǒng)的多機(jī)通信主要是針對(duì)水面控制單元與潛水員1、潛水員2、潛救指揮中心三方的雙向數(shù)據(jù)通信。通信內(nèi)容是水面控制單元對(duì)潛水員1和2的控制以及潛水員1、2深度值向水面控制單元的抄報(bào)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

攝像系統(tǒng)主要包括潛水員攝像機(jī)設(shè)計(jì)和水下照明燈設(shè)計(jì)。

4.1 潛水員攝像機(jī)設(shè)計(jì)

潛水員水下攝像機(jī)內(nèi)部集成了攝像機(jī)機(jī)芯、鏡頭、深度傳感器及信號(hào)處理電路、視頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸模塊、相應(yīng)的電路板以及承壓水密部件。

1）攝像機(jī)機(jī)芯及鏡頭的選型

本攝像機(jī)采用Sony機(jī)芯，它具有600TV線的水平清晰度，傳感器的最低照度為0.03 Lux，攝像機(jī)機(jī)芯布置緊湊，整體尺寸為32 mm×32 mm。

攝像機(jī)鏡頭采用焦距為f=2.8 mm的廣角鏡頭，滿足大視場(chǎng)的觀察要求，其觀察角度可以達(dá)到80°左右。

2）壓力傳感器選型及信號(hào)調(diào)理［3］

本系統(tǒng)采用的 NS－3壓力傳感器量程為0－1.25 MPa(表壓），精度為0.3%。壓力傳感器的輸出信號(hào) (經(jīng)過(guò)壓電轉(zhuǎn)換）為mV信號(hào)，NS－3出廠檢測(cè)結(jié)果表明:在1.25 MPa壓力下，其最大輸出為47.06 mV。在進(jìn)入MCU單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣前，必須對(duì)此mV信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大。

另一方面，結(jié)合壓力傳感器的使用，每個(gè)壓力傳感器和控制及處理電路還需要進(jìn)行2個(gè)方面的調(diào)整:一方面是壓力傳感器零點(diǎn)的調(diào)零，另一方面是最大深度時(shí)最大測(cè)量值的統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)潛水員所配置深度測(cè)量單元輸出值的一致性。

信號(hào)的放大處理至為重要，其好壞直接影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度。由于該傳感器為橋式差分輸出，同時(shí)考慮到傳感器制作工藝及自身性能對(duì)放大電路造成的“零點(diǎn)變化”問(wèn)題，因此考慮采用具有“零點(diǎn)調(diào)節(jié)”功能的儀表放大電路。再結(jié)合考慮諸如芯片封裝、性能參數(shù)、外接電路的復(fù)雜性等因素，考慮基于MAX4461HEUT－T和LM7301M5來(lái)搭建放大電路。MAX4461H內(nèi)部邏輯如圖2所示。

圖2 壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路Fig.2 The signal regulation circuit of pressure sensor

MAX4461HEUT－T是采用間接電流反饋結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的新型儀表放大器，出廠時(shí)的缺省增益為100，封裝形式為6SOT23－6。利用 LM7301M5來(lái)構(gòu)建第2級(jí)放大電路，其作用有2個(gè):一是放大作用，將該級(jí)達(dá)到增益控制在1～1.5之間;二是“零點(diǎn)調(diào)節(jié)”功能，補(bǔ)償由于傳感器制作工藝及自身性能對(duì)放大電路所造成的“零點(diǎn)變化”問(wèn)題。

3）字符疊加模塊

視頻信號(hào)字符疊加模塊［4］基于美信公司的單通道單色隨屏顯示 (OSD）發(fā)生器MAX7456搭建。它負(fù)責(zé)將深度傳感器測(cè)量到的深度值 (經(jīng)過(guò)MCU采樣）及相應(yīng)的潛水員編號(hào)疊加到前端攝像機(jī)機(jī)芯輸出的圖像上，然后傳輸給雙絞線轉(zhuǎn)換接口板。

MAX7456芯片集成了外同步視頻驅(qū)動(dòng)、信號(hào)分離器、視頻切換與EEPROM等模塊，所需外圍電路較少，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可自動(dòng)識(shí)別NTSC和PAL制信號(hào)，適合在全球電視行業(yè)使用，且用戶可通過(guò)SPI串行接口預(yù)加載自定義的256個(gè)字符，用戶可以根據(jù)需要任意調(diào)用或改寫(xiě)其內(nèi)部字符存儲(chǔ)其中的內(nèi)容。

圖3 潛水員攝像機(jī)字符疊加電路Fig.3 The character overlapped circuit of diver camera

4）視頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸模塊

本系統(tǒng)采用EL5171和EL5172構(gòu)成的中短距離傳輸有源發(fā)送器和接收器實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離雙絞線傳輸。有源發(fā)送器和接收器，除了匹配轉(zhuǎn)換外，還可放大信號(hào)并進(jìn)行頻率補(bǔ)償，提高畫(huà)面的清晰度。

5）單片機(jī)控制模塊

圖4 EL5171與EL5172構(gòu)成雙絞線發(fā)送器和接收器傳輸系統(tǒng)Fig.4 The twisted-pair transmission and receiving system based on EL5171 and EL5172

綜合考慮系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需求，潛水員水下攝像機(jī)采用單片機(jī) (MCU）作為控制及處理板的控制核心，模塊中的MCU選用PIC16F873，它也是整個(gè)潛水員水下攝像機(jī)的核心，它對(duì)深度傳感器的測(cè)量輸出 (mV信號(hào)）進(jìn)行采樣計(jì)算轉(zhuǎn)換為深度值，它控制視頻信號(hào)的OSD字符疊加，同時(shí)控制潛水員水下攝像機(jī)與水面控制單元的串口通信。

圖5 潛水員水下攝像機(jī)控制模塊Fig.5 The controllingmodule of divers'underwater camera

4.2 水下照明燈的設(shè)計(jì)

對(duì)于水下攝像來(lái)說(shuō)，攝像機(jī)與照明燈［5－7］的配合是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它關(guān)系到水下成像的質(zhì)量，同時(shí)照明也嚴(yán)重影響到潛水鐘、潛水員水下作業(yè)的能力。

一方面，不同的水下攝像機(jī)所需要配置的照明燈的性能指標(biāo)也不同;另一方面，根據(jù)照射距離，照射角度要求的不同，照明燈的性能指標(biāo)也會(huì)表現(xiàn)出較大的需求差異，同時(shí)還要結(jié)合考慮到水下照明時(shí)海水對(duì)光的傳輸衰減。

本系統(tǒng)采用的攝像機(jī)圖像傳感器的最低照度為0.03 Lux，也就是像面最低照度為Efp=0.03 Lux。

水下的觀測(cè)距離約為1.6 m(按2 m算），攝像機(jī)觀測(cè)角度80°，水下照明燈的照射角度約為80°。

假設(shè)目標(biāo)外表面特性接近于朗伯漫射體，目標(biāo)的照度為Esc。

其中:F=0.28，為鏡頭的光圈值;ρ=0.2，為目標(biāo)的反射率;τ=0.85，為光學(xué)透鏡的透過(guò)率;a=0.22，為近海光學(xué)吸收系數(shù)。

即2 m外的被攝目標(biāo)的照度為10 Lux，由此可推算攝像機(jī)附近配置的照明等所需要的功率和光通量。

由于潛水員攝像機(jī)和照明燈安裝距離很近，水下輔助照明和水下攝像機(jī)可以認(rèn)為它們距水下目標(biāo)的距離相等，由此可對(duì)水下輔助照明燈的亮度進(jìn)行估算。

水下輔助照明燈的發(fā)光強(qiáng)度I0由下式計(jì)算:

設(shè)光源的照射角度80°，則該范圍各方向上均勻發(fā)光，則光通量為

考慮到照明燈的透光率為75%，電氣效率為80%，并采用新型LED照明燈光源的長(zhǎng)期功效為60 lm/W。將LED光源功率選擇為10 W。但本設(shè)計(jì)中，為了保證有足夠的照明余度，以及照明區(qū)域邊沿的亮度，選擇照明燈的功率提升至12～13W。

5 系統(tǒng)海上試驗(yàn)

開(kāi)式潛水鐘攝像系統(tǒng)交付后，先后完成了聯(lián)調(diào)試驗(yàn)、系泊試驗(yàn)、航行試驗(yàn)等，順利交付海軍部隊(duì)。

系統(tǒng)交付過(guò)程中先后解決了一系列的問(wèn)題，如臍帶電纜雙絞線視頻傳輸阻抗匹配問(wèn)題，水面單元視頻接口模塊高頻補(bǔ)償、自激振蕩問(wèn)題，深度傳感器測(cè)量值與壓力表深度讀書(shū)偏差問(wèn)題，與潛救指揮中心視頻雙向傳輸問(wèn)題等。海上航行試驗(yàn)在南海海域完成，潛水中順利吊放至水下60 m，過(guò)程中各路視頻信號(hào)正常，各路雙向通信信號(hào)正常，與潛救指揮中心的視頻、信息傳輸顯示正常。過(guò)程中視頻畫(huà)面所疊加的深度、水文信息顯示正常，各項(xiàng)深度測(cè)量值一致性強(qiáng)，深度測(cè)量值在誤差允許的范圍內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明:

1）系統(tǒng)所有技術(shù)指標(biāo)滿足開(kāi)式潛水鐘攝像系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求。

2）系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、使用方便，圖像清晰、直觀，能夠有力保障開(kāi)式潛水鐘系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高了水下作業(yè)的安全性和作業(yè)效率。

3）系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，維修保養(yǎng)方便、快捷，系統(tǒng)的升級(jí)能力較強(qiáng)。

本系統(tǒng)的成功研制為開(kāi)拓水下作業(yè)工具市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)，將來(lái)可以進(jìn)一步為海洋開(kāi)發(fā)、海洋石油勘探、潛水打撈、水下作業(yè)等提供全面的解決方案。

［1］張劍，冶建宏，楊茂，等.開(kāi)式潛水鐘的研制［J］.中國(guó)救助與打撈，2004，28(3）:25.

［2］吳海濱，唐磊，吳彬.監(jiān)控系統(tǒng)中視頻信號(hào)的雙絞線傳輸［J］.安徽教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25(3）:38 －40.

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［7］JAFFE J S.Computer modeling and the design of optimal underwater imaging systems［J］.Oceanic Engineering，1990，15(2）:101 －111.

Design of underwater monitoring system for opening-diving bell

CHEN Bing，ZHANG Yan-min，XIE Ren-fu
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

The opening-diving bell has unique properties and advantages in developed countries such as Britain and America，in these countries which is widely used.The underwater videotape system is the subsystem of the opening-diving bell system，it is dispersion in every diving apparatus，opening-diving bell;sling the device and the centralized control console each subsystem.This paper，based on the new underwater camera，LED lighting technology，we designed a compact，high reliability underwater videotape system.

opening-diving bell;underwater videotape;LED lighting

TM923.56

A

1672－7649(2014）05－0135－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.028

2013－06－13;

2013－08－02

陳兵(1979－），男，碩士，工程師，從事安全防范系統(tǒng)設(shè)計(jì)。