照明技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用

楊申申，王 瑤，王 璇，胡 震

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082）

照明技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用

楊申申，王 瑤，王 璇，胡 震

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082）

根據(jù)潛水器行業(yè)的特點(diǎn)和需要，結(jié)合多年照明方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析水下照明的特點(diǎn)，闡述水下照明技術(shù)的現(xiàn)狀，并以“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的照明系統(tǒng)設(shè)計為例，探討照明技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用情況。

水下照明；潛水器；LED

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著海洋開發(fā)、海洋經(jīng)濟(jì)、海洋維權(quán)、海洋保護(hù)等觀念的不斷深入，潛水器技術(shù)得到飛速發(fā)展。但由于可見光在海水介質(zhì)傳播中具有特殊性，大部分光被海水吸收和散射，光能利用率很低，因此，水下照明設(shè)備成為深海潛水器上的關(guān)鍵設(shè)備。為了獲得良好的照明效果，提高水下作業(yè)效率，世界主要國家紛紛開展了深海照明研究。筆者根據(jù)多年潛水器設(shè)計、建造及使用經(jīng)驗(yàn)，分析水下照明的特點(diǎn)，闡述水下照明技術(shù)的現(xiàn)狀，并以“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的照明為例，探討照明技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用情況。

1 水下照明的特點(diǎn)

光在水下的傳播性質(zhì)與在空氣中的傳播性質(zhì)不同，即使是經(jīng)過過濾的最純凈的水，它對光的衰減也是很嚴(yán)重的，因此需要結(jié)合水下光學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行合理的水下照明系統(tǒng)設(shè)計。水體的光學(xué)性質(zhì)可分為兩類：1）固有光學(xué)性質(zhì)（IOP），僅與傳輸介質(zhì)本身的物理特性有關(guān)；2）外顯光學(xué)性質(zhì)（AOP），取決于水體固有光學(xué)性質(zhì)和與介質(zhì)周圍光場相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)。

圖1 單色光源水下照度和距離的關(guān)系

固有光學(xué)性質(zhì)主要指水對光的散射和吸收，散射和吸收作用是光在水中傳播的2個基本過程，它們造成光的衰減。水中光散射是指光在水中傳播時，受到介質(zhì)微粒的作用，偏離原來直線傳播的方向，包括水中的米氏散射、瑞利散射和透明物質(zhì)的折射所引起的隨機(jī)過程。吸收是光子能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、化學(xué)能等引起的多種熱力學(xué)不可逆過程。水對光的吸收在不同的光譜區(qū)域是不同的，具有明顯的選擇性。在水下，紅光被吸收的速度是藍(lán)綠光的6倍。圖1為單色光源水下照度和距離的關(guān)系，可以看出，紅光（波長與藍(lán)綠光（波長）和藍(lán)紫光（波長）相比，衰減更為劇烈。

水中拍攝照片的對比度比陸地上低很多。對比度降低主要原因?yàn)椋?）水中的自然光線較為分散并且有陰影現(xiàn)象；2）水中存在固體顆粒懸浮物，在光線傳播路徑上光發(fā)生散射，反映在最終圖像的成像質(zhì)量上即降低了對比度；3）由于不連續(xù)折射，圖像質(zhì)量本身在傳輸過程中也有所降低，成像光在傳播過程中圖像細(xì)節(jié)發(fā)生退化甚至完全喪失。

2 水下照明技術(shù)現(xiàn)狀

潛水器照明使用的光源主要有白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈和半導(dǎo)體照明燈。表1中給出了水下光源的主要類型及其各自的性能特性。

表1 水下光源特性

2.1 白熾燈

白熾燈是最早發(fā)明的照明光源，其原理是將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見光。鹵素?zé)羰且环N經(jīng)過改進(jìn)的白熾燈。白熾燈因其有光源小，便宜，顯色性好，光譜均勻而不突兀等優(yōu)點(diǎn)，在潛水器技術(shù)發(fā)展初期得到廣泛使用。但受其效率較低，表面高溫，易爆炸等因素影響，如今在潛水器中較少使用。

2.2 熒光燈

熒光燈發(fā)光原理為使電流激發(fā)處于氬氣或氖氣中的汞蒸汽而產(chǎn)生短波紫外光，接著紫外光引起鍍在燈管上的熒光粉發(fā)光，產(chǎn)生可見光。熒光燈效率較白熾燈高，為40%左右。但是，熒光燈體積較大，單位體積輸出流明數(shù)無法和其他燈相比，作為潛水器水下光源應(yīng)用較少。

2.3 高強(qiáng)度氣體放電燈（HMI和HID）

HMI是一種電弧放電燈，其電弧處于濃度較高的汞蒸汽和稀土鹵化物蒸汽中，具有類似日光燈的色溫，在5 600 K左右，如圖2所示。HMI產(chǎn)生的燈光具有高色溫（較長的波長），穿透性好，能在較廣的區(qū)域提供更好的真彩色照明，是一種理想的水下物體攝像照明光源。

HMI比白熾燈效率更高，每瓦產(chǎn)生的流明數(shù)是其3～4倍，但是HMI需要一個獨(dú)立的電子穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)功率輸入。由于不存在燈絲斷裂的風(fēng)險，HMI更抗沖擊和震動，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于潛水器照明系統(tǒng)中。

與HMI互補(bǔ)的另一種高強(qiáng)度氣體放電燈HID和HMI一樣是弧光燈（圖3），不同之處在于HID使用磁性穩(wěn)壓器取代電子穩(wěn)壓器。HID包括幾種類型：水銀蒸汽燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和較少的氙燈。HID可通過技術(shù)手段產(chǎn)生不同的光譜。與熒光燈、白熾燈相比，HID可在很小的體積下產(chǎn)生較大量的光，適用于潛水器照明。目前，潛水器使用的HID多數(shù)為金屬鹵化物燈。但是HMI和HID對啟動時間有著嚴(yán)格要求，關(guān)閉以后再次開啟需要等候10分鐘以上。

圖2 HMI

圖3 HID

2.4 半導(dǎo)體照明燈（LED）

LED（圖4）是一種半導(dǎo)體裝置，當(dāng)電流在前向方向有偏時發(fā)出不連續(xù)的窄光譜光源，屬于場致發(fā)光。LED發(fā)光的顏色取決于半導(dǎo)體材料的化學(xué)構(gòu)成，分為紫外光、可見光或紅外光。作為一種快速發(fā)展的照明技術(shù)，與傳統(tǒng)使用的鹵素?zé)艉虷ID燈相比，LED具有如下優(yōu)點(diǎn)。

圖4 自行研制應(yīng)用于觀察型潛水器的LED

1）發(fā)光效率高。LED發(fā)光芯片的效率一般是鹵素?zé)舻?～8倍。一個30 W的LED燈光通量相當(dāng)于250W的傳統(tǒng)鹵素?zé)舻陌l(fā)光量。雖然按一般光效定義的LED發(fā)光效率并不算高，但LED的光譜幾乎全部集中于可見光區(qū)域，效率可達(dá)80%～90%，而白熾燈的可見光轉(zhuǎn)換效率僅為10%～20%。大功率LED照明的耗電量僅為相同亮度白熾燈的10%～20%。

2）壽命較高。LED的壽命一般具有5萬小時，高質(zhì)量的HID不會超過4 000小時，鹵素?zé)舻膲勖?。所以LED在水下安裝調(diào)試好以后，在正常供電的情況下，基本上不需要更換，大大減少了維護(hù)成本和維護(hù)工作量。

3）能實(shí)現(xiàn)瞬時開啟和關(guān)閉。LED瞬時啟動的特點(diǎn)基于發(fā)光半導(dǎo)體特性，其啟動時間僅為幾納秒。在有些高速攝影中，可作為閃光燈使用。相比之下，HID啟動需要3分鐘，關(guān)閉后再次啟動需要的時間更長，而鹵素?zé)粢驘艚z會燒斷，其關(guān)閉和啟動也不能頻繁。

4）抗震性能好。LED發(fā)光半導(dǎo)體是焊接在燈座內(nèi)的，內(nèi)部沒有燈絲等易斷、易損元件，適合在水下惡劣環(huán)境中使用，對于潛水器等尤為合適。

3 “蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器照明系統(tǒng)設(shè)計

基于以上幾種光源的特點(diǎn)，在潛水器照明系統(tǒng)的設(shè)計中較多采用組合設(shè)計的思路。文中以“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的照明系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，供設(shè)計人員參考。

根據(jù)潛水器乘員觀察和攝像的需要，在“蛟龍”號載人潛水器上配備了17盞水下照明燈（水下照明效果如圖5），包括1盞石英鹵素?zé)簦?盞HID，4盞HMI，10盞LED。

圖5 “蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器水下照明效果

3.1 石英鹵素?zé)?/p>

此次“蛟龍?zhí)枴睗撍髡彰飨到y(tǒng)采用Deep-SeaLite系列石英鹵素?zé)?。該系列產(chǎn)品經(jīng)過充分水下試驗(yàn)，得到廣泛認(rèn)可。

燈罩材料：鈦6AL－4 V；

長度：202 mm；

直徑：165 mm；

重量：空氣中0.91 kg，水中0.45 kg；

工作深度：7 000 m；

環(huán)境溫度：－5℃～40℃；

電氣接頭：BH3MP；

輸入電壓：110 VDC；

輸出特性：250W；

燈頭工作壽命：2 000 h。

3.2 HID

HID的效率是普通鹵素?zé)舻?～4倍。與HMI相比，HID的工作壽命更長，燈頭與整流器的價格更低。

燈罩材料：鈦6AL－4 V；

長度：275 mm；

直徑：135 mm；

重量：空氣中3.67 kg，水中1.8 kg；

工作深度：7 000 m；

環(huán)境溫度：－5℃～40℃；

電氣接頭：LPBH3MP；

工作壽命：650 h；

整流器輸入電壓：110 VAC；

輸出特性：400W；

燈頭工作壽命：1000 h。

3.3 HMI

HMI采用MSR（Medium Source Rare）燈頭，其效率是普通鹵素?zé)舻?～4倍，其工作色溫為5 600 K。

燈罩材料：鈦6AL－4 V；

長度：275 mm；

直徑：35 mm；

重量：空氣中3.86 kg，水中1.43 kg；

工作深度：7 000 m；

環(huán)境溫度：－5℃～40℃；

電氣接頭：LPBH3MP；

整流器輸入電壓：110 VDC；

輸出特性：400W；

燈頭工作壽命：650 h。

3.4 LED

LED水下燈采用CREE發(fā)光芯片，內(nèi)部集成了燈泡、鏡頭和驅(qū)動電路，其工作色溫和攝像機(jī)相匹配，具有重量輕、效率高和易啟動等特點(diǎn)。

燈罩材料：AL；

重量：空氣中0.6 kg，水中0.2 kg；

工作深度：7 000 m；

環(huán)境溫度：－5℃～40℃；

電氣接頭：MCBH3M；

整流器輸入電壓：110 VDC；

輸出特性：60 W；

燈頭工作壽命：2 000 h。

整個照明系統(tǒng)布置如圖6所示。在這樣的配置下，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行合理組合后，可為潛水器觀察、攝像、作業(yè)等提供足夠的照明強(qiáng)度，在保證足夠的水下能見度下提供合理的水下照明光譜。潛航員也可根據(jù)工作需要開啟相應(yīng)的燈或幾種燈組合進(jìn)行照明。

圖6 “蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器照明系統(tǒng)布置

4 小 結(jié)

隨著人類探索深海腳步的不斷前進(jìn)，水下照明技術(shù)也在不斷發(fā)展，從傳統(tǒng)的鹵素?zé)?，到目前使用較多的HID和HMI，以及最新出現(xiàn)的LED。近幾年，在一批高新技術(shù)項(xiàng)目如“蛟龍?zhí)枴睗撍鞯膸酉?，中國水下照明技術(shù)水平大幅度提升，但與國外相比仍有一定的差距。通過多年的潛水器設(shè)計、建造及使用經(jīng)驗(yàn)，在照明系統(tǒng)方面，心得如下，供大家參考。

在選擇水下照明設(shè)備時，必須考慮到光的波長分布范圍、介質(zhì)的光學(xué)特性以及攝像設(shè)備的靈敏度。

純凈水和清澈的大洋水在光譜的藍(lán)－綠區(qū)域透射比量大，其中波長462～475 nm的藍(lán)光衰減最少，因此，在水下照明時應(yīng)盡量選擇藍(lán)綠光。

為了攝像效果而需要紅光的情況下，可通過高強(qiáng)度閃光燈和相機(jī)配合來產(chǎn)生更多的紅光，從而得到色彩均勻的圖像。

減少在被拍攝物體和攝像機(jī)之間的一些不必要燈光，減弱由于散射而產(chǎn)生的背景亮度。具體可通過將燈光和攝像機(jī)分開布置來實(shí)現(xiàn)，在特別渾濁的水下，可有效布置2～3盞低功率燈來替代1盞高功率燈。

在一些近岸環(huán)境下，由于反向散射，可視距離大概只有1～2 m。此時將光源從攝像頭前方移開有利于提高可視性。

LED在水中具有較強(qiáng)的穿透能力，兼具壽命長、環(huán)保、可靠性高、無頻閃及低溫啟動快等特點(diǎn)，能獲得良好的照明效果，在潛水器領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。

［1］孫傳東，陳良益，高立民，等.水的光學(xué)特性及其對水下成像的影響［J］.應(yīng)用光學(xué)，2000，21（4）：39～46

［2］樓志斌.半導(dǎo)體照明技術(shù)在水下探測設(shè)備中的應(yīng)用研究［J］.船舶工程，2011，33（6）：12～14

［3］張法全，王國富，葉金才，等.水下光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)照明方式的研究［J］.光子學(xué)報，2011，40（7）：1061～1065

［4］曹曉燕，謝仁富，張彥敏.基于LED的水下目標(biāo)高速攝像照明系統(tǒng)設(shè)計［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36（8）：118～136

App lication of Underwater Lighting for Submersible

YANG Shenshen，WANG Yao，WANG Xuan，HU Zhen
（China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，P.R.China）

According to the characteristics and needs of submersibles，combined with the practical experience of years of lighting scheme，the characteristics of underwater lighting are analyzed.And the research and status of underwater lighting are described.Lastly，as the example of HOV‘Jiao long’，the application of underwater lighting in the submersible is investigated.

underwater lighting；submersible；LED

2015-12-08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題（2014AA09A110）

楊申申（1981－），男，安徽碭山人，高級工程師，碩士，主要從事潛水器研究設(shè)計工作。