水下微光高速摄像系统在潜艇实验中的应用.docx
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水下微光高速摄像系统在潜艇实验中的应用
第31卷第11期2009年11月舰 船 科 学 技 术
SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31,No.11
Nov.,2009
水下微光高速摄像系统在潜艇实验中的应用
沈凌敏
1,2
何俊华1,张 琦3,陈良益
1
（1.中国科学院西安光学精密机械研究所先进光学仪器实验室,陕西西安710119;
2.中国科学院研究生院,北京100039;
3.中国人民解放军91550部队220所,辽宁大连116023
摘 要:
介绍了用于潜艇实验的水下微光高速摄像系统,并对设计的关键技术做了论述。
根据潜艇上的实际情况,设计了最优的设备工作布局,使全系统能发挥最佳的效果。
分析了水下30~40m的光照度,进而设计了适合的水下照明方案,尽量采取微光照明的方式,使环境散射达到最低。
最后将该系统应用于水下微光高速摄像试验,实验证明该系统在水下重要武器,尤其是水下潜艇等实验中具有广阔的应用前景。
关键词:
高速摄像;水下微光;光照度;水下照明
中图分类号:
U674.76;TN946 文献标识码:
A
文章编号:
1672-7649（200911-0055-04 DOI:
1013404/j1issn11672-7649120091111010
Applicationofunderwaterlow2light2levelhigh2speedphotographsysteminsubmarine
SHENLing2min
1,2
HEJun2hua1,ZHANGQi3,CHENLiang2yi
1
（1.LaboratoryofAdvancedOpticalInstrument,XiπanInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences,Xiπan710119,China;2.GraduateInstituteofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China;3.220Instituteof95510ArmyoftheChinesePLA,Dalian116023,ChinaAbstract:
Anunderwaterlowlightlevelimagingsystemforsubmarinetrialisintroducedandsomekeytechniquesarediscussed.Accordingtothepracticalconditionsofsubmarineanoptimizedilluminationsystemisdesigned.
Forthebestimagingqualityofunderwaterhigh2speedphotographsystem,bythe
thoroughanalysisofilluminancerequirementinbothobjectspaceandimagespaceforhighsensitivehigh2speedcamerainthecircumstanceoflowlightlevelbetween30and40meterunderthewater,aplanappliedtounderwaterlightingisdesigned.Someanti2corrosionmethodsareusedforthestabilityofthesystem.Thesystemisappliedinunderwaterlowlightlevelhighspeeddetectingandhasawideapplicablefutureinthefieldofunderwaterweapons,especiallysubmarine.
Keywords:
high2speedphotograph;underwaterlow2light2level;illuminance;underwaterlighting
收稿日期:
2009-02-17;修回日期:
2009-03-25
基金项目:
国防科技重点实验室基金项目资助（51448030105ZK1801作者简介:
沈凌敏（1983-,男,硕士,研究方向为水下光电探测技术。
0 引 言
随着新武器的不断发展,水下武器发射试验越来
越多,水下发射试验已不满足于发射桶口的实况监视,迫切需要对武器出桶的过程进行多角度、大视场、高分辨、更清晰的监控,从而进一步地了解武器发射过程中弹体的运动情况,了解弹体周围环境变化情况。
同时也需要一种能够快速安装在各种实验潜艇
上,完成各种武器发射试验任务的新型水下微光高速摄像系统。
目前,高速摄像技术已发展到相当水平,摄像机的分辨率、灵敏度、信号传输性能较前几年已有较大提高,摄像机的体积逐渐减小,存储容量逐渐增加,很多产品已具备一定的长线控制和传输能力,可以满足远程控制水下高速运动目标成像测量系统的要求。
本文研究的主要目标是设计系统在水下潜艇上
舰 船 科 学 技 术第31卷
的结构工作布局,分析水下30~40m左右的光照度
条件进而设计合适的照明装置,解决水下微光环境中对高速运动目标光电成像的技术难题,进一步提高系统性能及可靠性,从而为我国水下重大武器试验做出更多贡献。
1 水下微光高速摄像系统组成与工作原理
水下微光高速摄像系统由水下照明系统、水下成像系统、控制记录与监视系统、信号传输系统、图像处理系统等组成,系统结构框图见图1。
水下照明系统包括水下照明灯、照明灯安装支架、水下照明电源及控制器。
作用是对水下目标进行照明,满足水下高速摄像对光能量的需要;水下成像系统包括水下高速光电成像系统、水下常速光电成像系统、摄像机电源、变焦调焦调光控制器、摄像机控制舱,主要负责完成对潜射导弹发射过程的清晰成像的功能;水下环境测量系统对水下照度、水下深度及摄像机内部温度和湿度进行测量,水下照度、水下深度测量可实时得到水下环境数据,以此作为高速摄像机摄像时摄像机曝光参数和照明灯发光亮度设置依据,摄像机内部温湿度测量可设定报警范围,达到保护摄像机目的;舱内控制、图像存贮及监视系统包括计算机、控制电路及相应的软件及控制箱等,它是整个系统的指挥中心,负责完成系统的初始化、自检、各种参数的设定、控制信号的发出、图像的接收、显示、存储等功能;传输系统包括舱内外的供电、控制、网络传输等传输电缆及相应的插卡和接插件。
供电、控制和信号传输都通过水密封插头和传输电缆进行;图像处理系统包括计算机及相应软件、图像记录设备（硬盘视频录像机、光盘刻录机、便携硬盘,主要完成对所记录图像进行事后分析和资料保存的功能
。
图1 系统组成框图
Fig11 Systemblockdiagram
2 水下微光高速摄像系统工作布局
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有良好的布局,所以寻求最优的布局是本系统的关键所在,也是本文的重要任务之一。
舱外设备的布局应由安装潜艇的
空间以及任务的要求而决定。
艇外设备的布局如图2所示,高速摄像机1、高速摄像机2与常速摄像机1安装于A点,高速摄像机3、常速摄像机2、水下深度照度计装于B点。
2台常速摄像机从2个方向分别监视发射桶。
高速摄像机1与高速摄像机2拍摄方位一致,高速摄像机3从另一方位俯视发射桶。
摄像机在4m处最大拍摄视场角视场为4m×315m。
高速摄像机1与高速摄像机2布置在一起,水平距发射桶中心面4m,垂直高度为4m。
2台高速摄像机在垂直方向的布置见图3所示,高速摄像机1向下俯视发射桶,距发射桶底面中心约512m。
高速摄像机2仰视5°,2台摄像机垂直方向在发射桶中心面有约015m的重叠,这样2台摄像机的拍摄范围
・65・
第11期沈凌敏,等:
水下微光高速摄像系统在潜艇实验中的应用
为4m×615m。
高速摄像机3水平距发射桶中心面
4m,垂直高度也为4m,向下俯视发射桶。
照明灯的位置对于成像质量起关键作用,不同的
角度对成像质量有较大影响,要求灯尽可能向目标靠
近。
图2中照明灯分别装在C和D两点就没有装在
P和Q两点好。
布置照明灯还应考虑拍摄视场范围
内都有光照,所以照明灯的布置也可能需要视场拼
接。
照明灯控制舱布置于照明灯附近,摄像机控制舱
布置于摄像机附近。
布置时注意长度方向与潜艇运
行方向一致。
3 水下微光成像系统设计中的关键技术问题
为确保系统能可靠、稳定地工作,系统中采用了
一些重要技术,如为系统设计了专用镜头,对水下照
明问题进行分析等。
下面对这些关键技术进行论述。
1水下照度估算
8~9月晴好天气下,太阳在海面形成的光照度
在104lux左右,黄绿光约占可见光的40%。
由于水
对光的吸收和衰减,在水下40m的深度时,自然光中
只有黄绿光存在。
水下不同深度的光照度可用下面
公式进行估算:
I=I0e-k（λ・z。
其中,I为水下深度在z处的照度;I
为海面的光照
度;z为水下的深度;k（λ为水衰减系数,它随波长
λ而变化。
如果海水混浊,其透明度小于4m,则同
深度的光照度要减少一个数量级。
当然,水下照度也
会随太阳位置、云层情况发生变化,所以水下30m处
的照度一般条件下为5~20lux,水下40m一般条件
下为1~5lux。
2像面照度估算
目前,可选用的高速摄像机灵敏度较高,其感光
度一般为ISO1000以上,有的高达ISO10000。
下面
分别以ISO2000和ISO10000为例计算CCD靶面所
需的成像照度。
由感光度ISO的定义:
S=018/H
m
（S
为ISO值,H
m
为最低曝光量,得:
ISO2000时:
Hm=018/2000=4×10-4 lux・s;
ISO10000时:
Hm=018/10000=8×10-5 lux・s。
当系统的拍摄频率为500fps,曝光时间t=2ms
（拍摄机实际允许的曝光时间为1199ms时,可计算
出像面所需的照度值为:
ISO2000时,
Efp=Hm
t
=
4×10-4
2×10-3
=012lux;
ISO10000时,
Efp=
Hm
t
=
8×10-5
2×10-3
=0104lux。
3物方所需照度计算
假设目标外表面特性接近朗伯漫射体,目标光亮
度为E
sc
由公式Efp=（Esc・e-al・ρ・τ/4F2可得物
方所需的照度值E
sc
为:
ISO2000时,
Esc=
Efp・4F2
ρτe-al
=
012×4×1142
012×0185×e-0115×6
≈25lux;
ISO10000时,
Esc=
Efp・4F2
ρτe-al
=
0104×4×1142
012×0185×e-0115×6
≈5lux。
式中,E
fp
为CCD靶面上的照度;E
sc
为被摄景物的照
度;ρ为目标的反射率,在此取为水下目标的典型值
012;τ为光学透镜的透过率,取为0185;a为水衰减
系数,取海水为0115;l为拍摄距离,6m;F为透镜
相对孔径的倒数,值为114。
由以上计算可推知,采用感光度为ISO10000的
高灵敏度摄像机,拍摄频率为500fps时,要求的目标
光亮度约为5lux,可以满足自然条件较好时水下40
m处的拍摄要求;而采用感光度为ISO2000的高灵敏
度摄像机时,要想得到相同效果的图像,必需适当降
低拍摄频率,如300fps,要求的目标光亮度约为15
lux,可以满足自然条件很好时水下40m处的自然光
照射的拍摄要求。
其他条件,如自然光很暗或水质较
差,则需要提高像面照度。
本系统采用水下增加辅助照明方式达到水下低
照度高速摄像目的。
目前摄像机的灵敏度很高,在水
下只需要微光照明就可以满足水下高速摄像的要求,
而微光照明对水的散射现象不明显,其成像效果比采
用像增强器还要好。
由于潜艇空间有限,系统安装位置选择余地小,
水下辅助照明系统与水下高速成像系统之间距离较
近,可认为它们到水下目标的距离基本相等,由此可
对水下照明系统的亮度进行估算。
水下光源的发光强度I
由下式计算:
I0=Escl2/e-al=（5×52/e-0115×6=306cd。
设光源照射角为120°,该范围内各方向上均匀
发光,则光通量为:
<=4πI0×1/3=4×3114×306/3≈1300lm。
若水下照明采用100W卤钨灯,其发光强度为
3000lm,只需要1盏水下照明灯。
为了保证有足够
・
7
5
・
舰 船 科 学 技 术第31卷
的余度及照明均匀性,水下照明采用2~4盏灯。
根据上述水下照度分析,高速摄像机基本满足水
下40m清晰成像的要求。
高速摄像机也可在环境条
件较好的情况下,不需辅助照明可得到水下约30m
的目标图像。
但大于30m或透明度小于8m时,需
要辅助照明才能得到目标图像。
如果水质条件较好,
其图像清晰度没有大影响。
自然光条件下高速摄像机（镜头D/f=114所能
达到的拍摄深度及成像效果见表3（目标距离6m
所示。
表1 高速摄像机拍摄深度及成像效果（目标距离6m
Tab.1 Theshootingdepthandimageresultofhighspeedcamera
（6metersawayfromtheobject
环境条件
较好一般条件一般条件较差
晴天日照直
射、水质能见
度大于8m
一般天气、水
质能见度大
于8
m
晴天日照直
射、水质能
见度4~8m
一般天气、
水质能见度
4~8m
500fps40~45m
成像清晰
40m成
像清晰
35m成像
质量稍差
30m成像
质量稍差
250fps45~50m
成像清晰
42m成
像清晰
38m成像
质量稍差
35m成像
质量稍差
4 结 语
2008年9月,整个系统在西安汤裕湖进行了试验。
如图4所示,水下微光高速摄像系统在浑浊水质环境中作用距离达到6m以上,在辅助照明条件下能满足水下30~40m清晰成像的要求,获取的图像亮暗均匀,成像质量较高。
从实验图中可以看出,由于水下环境散射与光照强度成正比,照明灯亮度增加,图像背景亮度也增加,使得图像衬比度下降,图像质量变差。
所以照明灯光的强度要尽可能的低,只要保证CCD最小的曝光即可。
图4汤浴湖试验所获得的图像
Fig14 AcquiredimagesfromTangyulakeexperiment
参考文献:
[1] 朱彩霞,闫亚东.水下微光成像系统[J].舰船科学技
术,2007,29（6:
56-58.
[2] 孙传东,陈良益.水的光学特性及其对水下成像的影
响[J].应用光学,2000,21（4:
39-46.
[3] 孙传东,李驰,张建华,等.水下成像镜头光学设计
[J].光学精密工程,1998,6（5:
5-11.
[4] JaffeJS.Computermodelingandthedesignofoptimal
underwaterimagingsystems[J].OceanicEngineering,
1990,15（2:
101-111.
[5] 孙传东.水下微光高速光电成像系统作用距离的研究
[J].光子学报,2000,（2:
185-186.
[6] MertensLE,ReplogleFS.Useofpointspreadandbeam
spreadfunctionsforanalysisofimaginingsystemsinwater
[J].OptSocAm,1977,67（8:
1105-1117.
[7] ZaneveldRJV,BeardsleyGF.Modulationtransfer
functionofseawater[J].OptSocAm,1969,59（4:
378
-380.
（上接第54页
参考文献:
[1] 杨杰,吴月华.形状记忆合金及其应用[M].合肥:
中国
科学技术大学出版社,1993.
[2] 蒋新松,等.水下机器人[M].沈阳:
辽宁科学技术出版
社,2000.
[3] 罗志增,蒋静坪.机器人感觉与多信息融合[M].北京:
机械工业出版社,2002.
[4] 张福学.机器人学———智能机器人传感技术[M].北京:
电子工业出版社,1996.[5] 袁月峰.形状记忆合金驱动器设计及控制研究[D].阜
新:
辽宁工程技术大学,2003.
[6] NikuSB.Introductiontoroboticsanalysis,system,
applications[M].USA:
PearsonEducationInc.asPrenticehall,2003.
[7] ToshioF,AtsushiK,FumihitoA,etal.Mechanismand
swimmingexperimentofmicromobilerobotinwater[M]NagoyaUniv,Jpn,Proceedingsofthe1994IEEE
InternationalConferenceonRobotics.
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