水下微光高速摄像系统在潜艇实验中的应用.docx

1、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SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .31,No .11Nov .,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

2、的效果。分析了水下3040m 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;T N946文献标识码:A文章编号:1672-7649(200911-0055-04DO I:1013404/j 1issn 11672-7649120091111010Appli ca ti on of underwa ter low 2li ght 2level h i gh 2speed pho

3、tograph syste m i n sub mar i n eSHEN L ing 2m in1,2,HE Jun 2hua 1,Z HANG Q i 3,CHEN L iang 2yi1(1.Laborat ory of Advanced Op tical I nstrument,Xi an I nstitute of Op tics and Precisi on Mechanics,Chinese Acade my of Sciences,Xi an 710119,China;2.Graduate I nstitute of Chinese Acade my of Sciences,B

4、eijing 100039,China;3.220I nstitute of 95510A r my of the Chinese P LA ,Dalian 116023,China Abstract:An under water l ow light level i m aging syste m f or submarine trial is intr oduced and s ome key techniques are discussed .According t o the p ractical conditi ons of sub marine an op ti m ized il

5、lu m inati on syste m is designed .For the best i m aging quality of under water high 2s peed phot ograph syste m ,by thethor ough analysis of illum inance require ment in both object s pace and i m age s pace f or high sensitive high 2s peed ca mera in the circum stance of l ow light level bet w ee

6、n 30and 40meter under the water,a p lan app lied t o under water lighting is designed .Some anti 2corr osi on methods are used f or the stability of the syste m.The syste m is app lied in under water l ow light level high s peed detecting and has a wide app licable future in the field of under water

7、 weapons,es pecially submarine .Key words:high 2s peed phot ograph;under water l ow 2light 2level;illum inance;under water lighting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、

8、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3040m 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

9、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

10、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。

11、 图1系统组成框图Fig 11System bl ock diagra m2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 31

12、5m 。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4m615m。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

13、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89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(z。其中,I为水下深度在z处的照度;I为海

14、面的光照度;z为水下的深度;k(为水衰减系数,它随波长而变化。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520lux,水下40m一般条件下为15lux。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I S O1000以上,有的高达I S O10000。下面分别以I S O2000和I S O10000为例计算CCD靶面所需的成像照度。由感光度I S O的定义:S=018/Hm(S为I S O值,Hm为最低曝光量,得:I S O2000时:H m=018/2000=410-

15、4luxs;I S O10000时:H m=018/10000=810-5luxs。当系统的拍摄频率为500fp s,曝光时间t=2m s(拍摄机实际允许的曝光时间为1199m s时,可计算出像面所需的照度值为:I S O2000时,E fp=H mt=410-4210-3=012lux;I S O10000时,E fp=H mt=810-5210-3=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Esc,由公式E fp=(E sce-a l/4F2可得物方所需的照度值Esc为:I S O2000时,E sc=E fp4F2e-al=0124114201201

16、85e-0115625lux;I S O10000时,E sc=E fp4F2e-al=0104411420120185e-011565lux。式中,Efp为CCD靶面上的照度;Esc为被摄景物的照度;为目标的反射率,在此取为水下目标的典型值012;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I S O10000的高灵敏度摄像机,拍摄频率为500f p s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40m处的拍摄要求;而采用感光度为I S O2000的高灵敏度摄像机时,

17、要想得到相同效果的图像,必需适当降低拍摄频率,如300fp s,要求的目标光亮度约为15lux,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:I

18、0=E sc l2/e-a l=(552/e-01156=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:=4I01/3=43114306/31300l m。若水下照明采用100W卤钨灯,其发光强度为3000l m,只需要1盏水下照明灯。为了保证有足够75舰船科学技术第31卷的余度及照明均匀性,水下照明采用24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

19、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6mTab.1The shooting depth and i m age result of high s peed ca mera(6meters a way fr om the object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48m一般天气、水质能见度48m500f p s 4045m成像清晰40m成像清晰35m成像质量稍差30m成像质量稍差250f p s 4550m成像清晰4

20、2m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3040m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Fig14Acquired i m ages fr om Tangyu lake experi m ent参考文献:1朱彩霞,闫亚

21、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(5:5-11.4Jaffe J S.Computer modeling and the design of op ti m alunder water i m aging syste m sJ.Oceanic Engineering,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

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