深海運(yùn)載裝備照明技術(shù)與應(yīng)用情況

齊海濱，趙晟婭，沈 鵬

(國家深?；毓芾碇行?山東 青島 266237)

引言

深海運(yùn)載裝備可以運(yùn)載人員、設(shè)備到達(dá)深海的海山、熱液、盆地和洋中脊等復(fù)雜海底地形進(jìn)行巡航、懸停、拍攝影像資料等作業(yè)，為人類更好的了解和探測深海提供寶貴的資料。深海中，水對可見光在內(nèi)的電磁波的吸收、散射及折射等作用，使得水下自然光照條件很差，除了生物光外，幾乎沒有任何可見光，如果深海運(yùn)載裝備想要使用光學(xué)設(shè)備對近地環(huán)境進(jìn)行觀察，搭載水下照明設(shè)備就成為執(zhí)行水下任務(wù)必不可少的舉措[1-3]。

水下照明設(shè)備的選擇需要綜合考慮諸多因素：光的衰減、散射、不均勻的光影、濾光、懸浮顆粒和大量的因被吸引而可能阻塞和環(huán)繞照明燈的海洋生物。首先，照明燈的性能因?yàn)槲?、折射和反射而受到限制，吸收?dǎo)致光量子快速減弱，從而限制了最大照明范圍，最大照明范圍跟光源的功率是成正比的，同時(shí)還取決于光的波段，像紅光和橙色光這類長波段的光首先在淺層被吸收，像紫光和藍(lán)光這類短波段的光最后在深層被吸收；其次，海水和其中含有的生物雜質(zhì)就像一個(gè)濾色鏡，大量的生物雜質(zhì)和地質(zhì)雜質(zhì)增加了海水的渾濁度從而進(jìn)一步減弱了光的傳播，兩種普遍的生物雜質(zhì)是葉綠素與黃質(zhì)。葉綠素是海洋中至關(guān)重要的吸光物質(zhì)，在光合作用中浮游植物利用葉綠素中的綠色素來生產(chǎn)碳，葉綠素強(qiáng)烈吸收紅光和藍(lán)光并反射綠光。黃質(zhì)是可溶解有機(jī)物里一種微黃的光學(xué)可測的物質(zhì)，它影響生物活性并強(qiáng)烈吸收藍(lán)光。相反，純凈海水中的水分子吸收太陽光光譜中的紅光、黃光和綠光，分散藍(lán)光。最后，深海的高壓環(huán)境對照明設(shè)備的耐壓封裝、電氣接口選擇、透鏡的耐沖擊性、透光度與耐溫度驟變能力，以及匹配搭載等問題也會有更高的要求[4-6]。

1 深海運(yùn)載裝備用照明燈簡介

1.1 主要照明燈種類及性能

深海運(yùn)載裝備用照明燈因?yàn)樾枰鶕?jù)實(shí)際使用水深設(shè)計(jì)專用的耐壓封裝結(jié)構(gòu)以達(dá)到水下承壓的效果，根據(jù)實(shí)際使用需求選擇不同波長的光源以達(dá)到遠(yuǎn)而窄或近而寬的照明效果，根據(jù)海水散射及折射等光學(xué)特性選擇特定的封裝鏡片和反光罩以達(dá)到良好的照明效果，故和常用照明設(shè)備具有顯著的差別。現(xiàn)使用的水下照明燈主要有以下種類[6，7]：

1)鹵素?zé)簟｛u素?zé)舻陌l(fā)光原理就是加熱鎢絲發(fā)光，但是區(qū)別于其他白熾燈的一個(gè)措施就是，燈泡中充滿鹵素氣體，鹵素氣體和會發(fā)光的金屬鎢相結(jié)合，在玻璃內(nèi)形成對流。當(dāng)氣體經(jīng)過流經(jīng)燈絲周圍，就重新附著在燈絲上，這種揮發(fā)和附著循環(huán)反復(fù)進(jìn)行，防止燈泡變黑，延長了壽命。目前強(qiáng)力鹵素?zé)魪V泛應(yīng)用于水下照明和攝像，但是由于鹵素?zé)舻淖畲髲?qiáng)度位于1.1 μm處。在頻譜中給藍(lán)綠部分提供較小的百分比。所以利用更高功率的鹵素?zé)魜硖岣哒丈渚嚯x是沒有意義的[8-11]。

2)熒光燈。熒光燈使用電流激勵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磷發(fā)光，產(chǎn)生可見光。熒光燈效率為40%。也就是說，產(chǎn)生相同光強(qiáng)的熒光燈，其使用的功率和產(chǎn)生的熱量分別為白熾燈的四分之一和六分之一。然而，在多數(shù)的水下應(yīng)用中，熒光燈的每體積輸出流明數(shù)無法和其他燈相比，所以其作為水下光源應(yīng)用較少。

3)高強(qiáng)度氣體放電燈(HMI/HID燈)。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。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。HID燈主要包括高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈，其通過氣體電離發(fā)光，啟動時(shí)超高壓擊穿電離的稀有氣體，形成功率回路，具有亮度高、照射范圍遠(yuǎn)、耗能少等優(yōu)點(diǎn)。深海運(yùn)載裝備多使用金屬鹵化物燈，其光效可達(dá)130 lm/W，顯色指數(shù)可達(dá)90以上，色溫可由低色溫(3 000 K)至高色溫(6 000 K)，壽命可達(dá)10 000～20 000 h。但是這種照明燈啟動穩(wěn)定時(shí)間較長，需4～8 s，且再啟動時(shí)間需要間隔10～15 s，且HID等需要配備裝專用的穩(wěn)壓器，間接增加了設(shè)備體積和重量[12]。

4)半導(dǎo)體照明燈(LED燈)。LED燈是一種直接將電能轉(zhuǎn)換為光能的固體原件，具有體積小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并且是低電壓工作，能與集成電路等外部電路良好結(jié)合，便于控制。LED燈的許多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)超越鹵素?zé)?，如壽命長、能源效率更高，更寬的色域，可產(chǎn)生更類似于日光的光線[6]。最顯著的優(yōu)點(diǎn)是體積較小，如6 000 m水深的LED燈重量僅為0.226 kg，尺寸僅為直徑0.081 m，長約0.152 m，卻能產(chǎn)生6 000 lm的光通量[13]。

深海運(yùn)載裝備用水下照明燈優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

1.2 主要照明燈產(chǎn)品

目前，市場上具有適用于不同海水深度的照明燈產(chǎn)品，但主要以國外成熟產(chǎn)品為主。

1)深海電力和照明公司(DEEPSEA Power&Light)產(chǎn)品。其產(chǎn)品在泰坦尼克號探險(xiǎn)隊(duì)、俾斯麥探險(xiǎn)隊(duì)、國家地理學(xué)會、WHOI、洛克希德公司、海洋工程公司、斯克里普斯海洋學(xué)研究所以及深潛潛水器(如阿爾文號、海崖號、杰森號、海龜號、鸚鵡螺號、Mirs I & II號、凱科號和深海6500號)中得以使用，并拍攝和制作埃德蒙號、菲茨杰拉德號、盧西塔尼亞號、鐵底音號和加拉帕戈斯群島的紀(jì)錄片，如電影《泰坦尼克號》拍攝過程使用的就是該公司的照明產(chǎn)品。

2)康斯伯格海事公司(KONGSBERG Maritime)產(chǎn)品。其生產(chǎn)的水下攝像設(shè)備得到較好的應(yīng)用，如應(yīng)用在蛟龍?zhí)栞d人潛水器、東北太平洋美國西海岸OOI海洋觀測系統(tǒng)等，同時(shí)在遙控潛水器(ROV)上也有廣泛的應(yīng)用，水下照明設(shè)備并不是其主打產(chǎn)品，只是為其生產(chǎn)的水下攝像設(shè)備提供配套輔助。

表1 深海運(yùn)載裝備用照明燈性能對照表

3)其他。隨著深海運(yùn)載裝備的不斷開發(fā)，許多企事業(yè)單位開始水下照明設(shè)備的研發(fā)工作，并陸續(xù)推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。如上海交通大學(xué)、中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所、中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所、中科院自動化研究所、Guatek Technology Ocean Exploration、Global Ocean Design、Deep Ocean Exploration and Research等單位都已開發(fā)了水下照明裝備或?yàn)槠渲餮性O(shè)備配套了照明裝置，例如：應(yīng)用于“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器中的上海交通大學(xué)研制的“HKY”系列HMI燈，應(yīng)用于“天涯號”“海角”著陸器上中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所自主研發(fā)的深海光學(xué)成像系統(tǒng)，應(yīng)用于“深海勇士號”載人潛水器上中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所研制的LED燈陣等[14]。

2 照明設(shè)備在深海運(yùn)載裝備上的典型應(yīng)用

1)中國蛟龍?zhí)栞d人潛水器(圖1)?！膀札?zhí)枴陛d人深潛器是中國首臺自主設(shè)計(jì)、自主集成研制的作業(yè)型深海載人潛水器，設(shè)計(jì)最大下潛深度為7 000 m，目前由國家深海基地管理中心負(fù)責(zé)日常運(yùn)行管理。蛟龍?zhí)栒彰飨到y(tǒng)包括17盞水下照明燈，其中包括1盞石英鹵素?zé)簦?盞HMI燈，2盞HID燈，10盞LED燈，通過多類型照明設(shè)備的組合使用，實(shí)現(xiàn)水下良好的照明和成像效果。照明設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。蛟龍?zhí)栒彰髟O(shè)備亮燈效果如圖2所示。

圖1 蛟龍?zhí)栞d人潛水器Fig.1 Submersible “JIAOLONG”

2)美國阿爾文號載人潛水器(Alvin)。阿爾文”號載人深潛器是目前世界上著名的深?？疾旃ぞ撸?wù)于伍茲霍爾海洋研究所 (WHOI)。它是 20 世紀(jì) 60 年代初根據(jù)美國明尼蘇達(dá)州通用食品公司(General Mills)的一位機(jī)械師哈羅德 (Harold Froehlich) 的設(shè)計(jì)而建造的。升級后阿爾文有12路照明設(shè)備，其中包含10盞LED燈，它的效率是之前用的燈泡的五倍，使用時(shí)間是之前的四倍(可用五年以上)，每盞LED燈都可以進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，還有2盞向下照射的觀察用照明燈，同時(shí)還有1盞用于定位和應(yīng)急求生的頻閃燈，1套用于光學(xué)測距的激光設(shè)備[15]。

表2 蛟龍?zhí)栒彰髟O(shè)備性能對照表

圖2 蛟龍?zhí)朙ED燈工作狀態(tài)Fig.2 LED lamp working state of submersible “JIAOLONG”

3)法國“鸚鵡螺”號載人潛水器。法國1985年研制成的“鸚鵡螺”號載人潛水器最大下潛深度可達(dá)6 000 m，活動范圍可以遍及全球海域的97%。其照明設(shè)備主要包括650 W的碘泛光燈2個(gè)，400 W的HMI泛光燈5個(gè)，還用2套為攝像設(shè)備所配套的300/600J的閃光燈。

4)俄羅斯“和平號”(MIR-Ⅰ/Ⅱ) 載人潛水器。6 000 m級的MIR系列載人潛水器(MIR-1和MIR-2)，由芬蘭公司的子公司勞馬-雷波拉的海洋公司設(shè)計(jì)和建造，俄羅斯科學(xué)院海洋研究所(he Russian Academy of Sciences’s Shirshov Institute of Oceanology)的建設(shè)者和工程師進(jìn)行監(jiān)管，現(xiàn)在由俄羅斯科學(xué)院進(jìn)行操控。1991年為了配合泰坦尼克號殘骸的拍攝，對照明系統(tǒng)進(jìn)行了升級改進(jìn)，加裝了可以折疊展開的照明燈架，進(jìn)一步提升了照明效果，最多時(shí)和平號載人潛水器配備了8盞功率為1 200 W DEEPSEA Power&Light公司生產(chǎn)的HMI燈，2盞LED燈和2盞石英鹵素?zé)簟?/p>

5)日本“深海6500”號載人潛水器?！吧詈?500”號載人潛水器建造于1989年，設(shè)計(jì)深度6 500 m，曾下潛至6 527 m深的海底，現(xiàn)在由日本海事科學(xué)技術(shù)中心(Japan agency for marine-earth science and technology,JAMSTEC)進(jìn)行運(yùn)行?！吧詈?500”配備的燈光是汽車燈照明度的3～4倍。在沒有懸浮物質(zhì)的海水中，每一個(gè)燈光可以照見深潛器周圍10 m的范圍，其主要包括2盞左右觀察窗下部的照明燈，2盞搜索燈，以及1盞為高清攝像設(shè)備匹配的高強(qiáng)度照明燈[16]。

6)中國“深海勇士”號載人潛水器(圖3)。“深海勇士”號載人潛水器是中國第二臺深海載人潛水器，它的作業(yè)能力達(dá)到水下4 500 m，國產(chǎn)化率達(dá)到95%以上，目前由中科院深?？茖W(xué)與工程研究所運(yùn)行管理。其照明設(shè)備全部為國產(chǎn)，主要是由中船重工第七〇二研究所及上海交通大學(xué)研制，其包含12盞300 W的LED燈陣，6盞400 W的HMI燈及一盞120 W的LED燈。

圖3 “深海勇士”號載人潛水器Fig.3 Submersible “SHEN HAI YONG SHI”

3 總結(jié)

從現(xiàn)有的關(guān)于深海照明燈的應(yīng)用情況來看，水下尤其是深海照明燈因?yàn)槭軕?yīng)用范圍小、抗壓、散熱、密封、光源分析、聚光設(shè)計(jì)等因素影響，其研制及實(shí)驗(yàn)成本較高，多數(shù)深海運(yùn)載裝備依舊選擇進(jìn)口國外成熟產(chǎn)品。但隨著像蛟龍?zhí)栞d人潛水器等深海運(yùn)載裝備的成功應(yīng)用，國內(nèi)許多企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)開始自主研發(fā)水下照明設(shè)備并陸續(xù)應(yīng)用在深海運(yùn)載裝備上。

此外，在考慮水下照明設(shè)備的照射范圍及距離的基礎(chǔ)上，如何配合水下攝像設(shè)備取得較好的成像效果也成為水下照明設(shè)備研發(fā)的主要技術(shù)難點(diǎn)。LED燈因其壽命長、能效高、色域?qū)捈肮ぷ麟妷旱偷葍?yōu)勢，將會在深海運(yùn)載裝備照明中得到越來越多的應(yīng)用。