朱春麗1，賈 鵬，尹 豐1，房 麗，王 剛

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028； 2.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

隨著國家戰(zhàn)略的支持和各大石油公司以及高校研究所的深入研究，淺海區(qū)域的油氣開采規(guī)模不斷擴(kuò)大。目前，淺海區(qū)域的油氣開采技術(shù)已經(jīng)基本成熟，短時(shí)間內(nèi)仍然是海洋資源主要的發(fā)展方向。隨著淺水油氣開采力度的加大，淺水油氣資源也在不斷消耗。所以，各大石油公司對于深水油氣資源的開發(fā)也在同時(shí)進(jìn)行[1-2]。作為目前深海油氣田開發(fā)的主流形式，水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。油氣開采的水深不斷加大，離岸距離也逐漸增加，水下生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的問題也越來越多，例如，海底環(huán)境的洋流和暗流引起的沖刷、海洋生物引起的腐蝕和污損[3-4]等因素都會對水下生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。所以，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的工作是十分必要的。

孫傳東等人針對水下電視的保護(hù)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和攝像鏡頭組的分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，玻璃半球可以替代普通平鏡玻璃作為防水密封玻璃，有效改善了由于水介質(zhì)折射引起的圖像畸變問題[5]。沈凌敏等人通過計(jì)算水下30～40 m微光條件下目標(biāo)物與成像系統(tǒng)的光照度需求，設(shè)計(jì)出使用1臺攝像機(jī)搭配4臺照明燈工作的方案，并通過試驗(yàn)分析了照明燈后向散射對于成像質(zhì)量的影響，從而得出了不可將照明燈與攝像機(jī)安裝在同一位置的結(jié)論[6]。張利等人通過推導(dǎo)圖像的襯度和信噪比傳遞函數(shù)，得知在成像距離不變條件下增大光源角度，可使圖像的襯度和信噪比增大,并利用試驗(yàn)證明光源角度配置對圖像質(zhì)量的影響，與理論分析一致[7]。本文基于閉路成像技術(shù)視頻成像技術(shù)、設(shè)計(jì)了一種用于對水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行視頻監(jiān)測的水下照明攝像系統(tǒng)，采用水下照明燈為目標(biāo)物提供足夠的照度，配合攝像機(jī)進(jìn)行工作，從而獲得高清晰度的視頻圖像，實(shí)現(xiàn)對水下生產(chǎn)系統(tǒng)360°全視角的視頻監(jiān)測，具備多角度、全方位定點(diǎn)監(jiān)測以及巡航監(jiān)測等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

三自由度水下攝像照明系統(tǒng)組成如圖 1所示。綜合顯示平臺使用TCP/IP視頻協(xié)議和Modbus控制協(xié)議與三自由度水下攝像照明系統(tǒng)進(jìn)行通信。硬盤錄像機(jī)與水上光纖路由器連接，通過綜合顯示平臺集成的控制界面對硬盤錄像機(jī)和攝像機(jī)進(jìn)行工作模式的設(shè)置，攝像機(jī)的焦距和光圈的調(diào)整，實(shí)時(shí)回放錄像文件。通過水上光纖路由器和水下光纖路由器對三自由度水下攝像照明系統(tǒng)進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制和狀態(tài)信息的反饋。

圖1 三自由度水下攝像照明系統(tǒng)框圖

三自由度水下攝像照明系統(tǒng)主要包括基座、支架、水下成像系統(tǒng)、紫外線防護(hù)裝置、控制艙和電機(jī)艙，如圖2。

圖2 三自由度水下照明系統(tǒng)

支架用于承載水下成像系統(tǒng)、紫外線防護(hù)裝置、控制艙和電機(jī)艙；基座與支架共同組成系統(tǒng)的對接鎖緊裝置，使得支架及其承載的設(shè)備在必要時(shí)可回收至岸邊，進(jìn)行零部件的更換和維修；攝像艙和照明艙通過連接軸連接成一體，共同組成水下成像系統(tǒng)，利用電機(jī)艙為水下成像系統(tǒng)提供水平方向的同步旋轉(zhuǎn)，水下成像系統(tǒng)艙內(nèi)的舵機(jī)提供攝像機(jī)和照明燈豎直方向的俯仰運(yùn)動；使用壓力補(bǔ)償器對電機(jī)艙進(jìn)行正壓力補(bǔ)償；照明燈為目標(biāo)物處提供足夠照度，配合攝像機(jī)捕捉圖像，并通過光纖路由器將實(shí)時(shí)圖像上傳至綜合顯示平臺；采用紫外線防護(hù)裝置從攝像艙和照明艙的外部進(jìn)行照射，對攝像艙和照明艙的密封玻璃罩進(jìn)行海洋生物污損防護(hù)。

2 水下成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下成像系統(tǒng)由攝像艙、照明艙和連接軸組成，如圖 3所示。照明艙基本結(jié)構(gòu)如圖 4所示，由艙體、玻璃罩、照明燈、舵機(jī)和照明燈支架等組成，艙體為照明燈提供密封的安裝空間，照明燈支架用于承載照明燈和舵機(jī)，舵機(jī)為照明燈提供豎直方向的俯仰運(yùn)動,攝像艙和照明艙結(jié)構(gòu)類似，主要用于密封攝像機(jī)、舵機(jī)。

圖3 水下成像系統(tǒng)

圖4 照明艙基本結(jié)構(gòu)

2.1 水下成像系統(tǒng)位置部署

在目標(biāo)物照度滿足要求的條件下，水下環(huán)境視頻成像效果主要受海水中光散射的影響。若水下照明燈與攝像機(jī)安裝在一起，水下燈光會將攝像機(jī)正前方的懸浮粒子照亮，反射的光線進(jìn)入攝像機(jī)的接收器內(nèi)。此外，照明燈照亮的區(qū)域與攝像機(jī)視角重疊的部分較大，也會導(dǎo)致后向散射現(xiàn)象，降低圖像對比度，使得圖像細(xì)節(jié)模糊[8]。本系統(tǒng)使用的連接軸長度為1.5 m，將水下燈光與攝像機(jī)分開放置，使后向反射對成像質(zhì)量的影響較小[9]。

2.2 攝像機(jī)相關(guān)參數(shù)計(jì)算

攝像機(jī)是水下攝像系統(tǒng)最為關(guān)鍵的一部分，水下攝像機(jī)的變焦能力和視場范圍直接決定了該系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)360°全方位監(jiān)測。視場范圍與攝像機(jī)鏡頭焦距直接相關(guān)，選擇合適焦距的攝像機(jī)對于攝取景物十分重要。最低照度主要體現(xiàn)在攝像機(jī)對目標(biāo)物照度的感知能力上，直接影響攝像機(jī)能否在低照度環(huán)境下捕捉到有效的圖像。

2.2.1 相對孔徑

相對孔徑與像面照度之間的關(guān)系為：

(1)

式中：B為未衰減的光照度；D/f為相對孔徑；T為水路徑衰減系數(shù)；nω為水的折射率。

同一片海域、同一水深條件下，未衰減的光照度B、水路徑衰減系數(shù)T、水的折射率nω相同，像面照度與相對孔徑D/f成正比，因此，提高攝像機(jī)的相對孔徑有利于提高像面照度[10]。

2.2.2 視場角與焦距計(jì)算

攝像機(jī)所需的視場角為：

2ω=2arctan(H/2L)

(2)

式中：2ω為視場角；H為目標(biāo)物高度；L為目標(biāo)物與攝像系統(tǒng)距離。

攝像機(jī)所需的最小焦距為：

(3)

式中：f為鏡頭焦距；η為接收器件對角線長度。

攝像機(jī)與目標(biāo)物拍攝的簡化模型如圖 5所示，被監(jiān)測的水下生產(chǎn)設(shè)施高約5 m，攝像機(jī)距離設(shè)備底部的高度為2.4 m，即H1=2.6 m,H2=2.4 m，實(shí)際觀測地點(diǎn)的水質(zhì)透明度約為16.5 m，因此監(jiān)測距離取16.5 m。將H1=2.6 m，L=16.5 m帶入式(2)，可得攝像機(jī)所需的最大視場角2ω為17.1°。經(jīng)對比，選擇?？低暺放频囊惑w化攝像機(jī)芯，視場范圍最大角度為58.9°，在廣角模式下可以觀看水下生產(chǎn)系統(tǒng)全貌。長焦模式下，攝像機(jī)視場角僅有3.5°,無法觀看水下生產(chǎn)系統(tǒng)的全部細(xì)節(jié)，所以使用舵機(jī)提供攝像機(jī)豎直方向的俯仰運(yùn)動，增加攝像機(jī)長焦模式下的觀察范圍；該款攝像機(jī)接收器件尺寸為9.1 mm，接收器件對角線長度為5.71 mm，水的折射率取1.33，代入式(3)可以得到攝像機(jī)觀察被監(jiān)測的水下生產(chǎn)設(shè)施全貌需要的焦距為14.25 mm，該款攝像機(jī)焦距為4.3～129 mm，符合要求。

圖5 攝像機(jī)與目標(biāo)物拍攝模型簡化

2.3 水下照明燈

由于海水懸浮粒子的存在和純水本身的散射作用，海水對光不僅存在著吸收作用，還存在著很嚴(yán)重的散射和反射作用。研究表明，光在海水中傳播的能量呈指數(shù)規(guī)律迅速衰減[9]。吸收和散射作用的存在使目標(biāo)物處的照度明顯不足，造成了圖像襯度明顯變差，導(dǎo)致攝像機(jī)監(jiān)測畫面不清晰。所以，在水下成像系統(tǒng)內(nèi)增加輔助光源來保證目標(biāo)物處的照度是十分必要的。LED燈具有光束集中，使用壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇LED燈作為該系統(tǒng)的輔助光源。在保證目標(biāo)物處照度滿足要求的前提下，輔助光源亮度應(yīng)該盡可能小，否則多余的光線會疊加在目標(biāo)物上，降低圖像的對比度。本系統(tǒng)選擇可以通過RS485協(xié)議調(diào)整光通量的LED燈。

2.4 玻璃罩材質(zhì)選擇

本系統(tǒng)紫外線殺菌燈從艙外照射玻璃罩，減少了紫外線穿過玻璃罩造成的能量損失，且玻璃罩材料本身無需具有透過275 nm紫外線波段的性能，最終選擇透光率可以達(dá)到95%以上的硼硅酸鹽作為玻璃罩的材質(zhì)，玻璃罩與艙體之間采用粘結(jié)方式連接成一體。

3 電機(jī)艙設(shè)計(jì)

電機(jī)艙為水下成像系統(tǒng)提供水平方向?yàn)椤?80°范圍的旋轉(zhuǎn)，主要由電機(jī)、編碼器、諧波減速器以及壓力補(bǔ)償器組成。電機(jī)艙內(nèi)部充滿絕緣硅油，外接壓力補(bǔ)償器對艙內(nèi)進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

3.1 電機(jī)類型選擇

本系統(tǒng)處于1 500 m水深的海洋環(huán)境，電機(jī)艙承受壓力為15 MPa，采用絕緣硅油對艙內(nèi)進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

壓力補(bǔ)償器主要有3種功用[11]：

1) 保持系統(tǒng)內(nèi)外壓力平衡，可以使保護(hù)罩按照薄壁件進(jìn)行設(shè)計(jì)，大幅減小系統(tǒng)的幾何尺寸和質(zhì)量。

2) 使靜態(tài)系統(tǒng)更加容易密封。

3) 防止海水滲透。

無刷電機(jī)采用電子換向，相對于有刷電機(jī)使用碳刷換向來說，不會產(chǎn)生碳刷使硅油變質(zhì)從而導(dǎo)致硅油絕緣性能降低的情況[12]，所以電機(jī)類型選擇無框無刷電機(jī)。經(jīng)過計(jì)算，選擇科爾摩根品牌的無框電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為0.413 N·m，額定轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，搭配減速比為1∶160的諧波減速器，電機(jī)艙分為低速工作狀態(tài)和高速除塵狀態(tài)，定期以電機(jī)最大轉(zhuǎn)速工作，為水下成像系統(tǒng)除塵。

3.2 電機(jī)艙補(bǔ)償體積計(jì)算

壓力補(bǔ)償器的補(bǔ)償工作容積可以按下式求出[13]：

VB=[VY(βpJ+aΔt+KX)+ΔVL+ΔVG]/(1-C)

(4)

式中：VY為被補(bǔ)償系統(tǒng)液體體積；β為相對體積壓縮系數(shù)；pJ為為靜水壓力；α為體積膨脹溫度系數(shù)，對于油α=5.8×10-4～9.5×10-4；Δt為溫差；ΔVL為48 h內(nèi)液體系統(tǒng)的泄漏；ΔVG為系統(tǒng)工作時(shí)所需補(bǔ)償?shù)捏w積；KX為氣液系數(shù)，取3%～6%；C為補(bǔ)償體積變化系數(shù)。

相對體積壓縮系數(shù)β可由式(5)計(jì)算：

(5)

式中：a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對于礦物油，a=6.13×104,b=1.115×10-6。

補(bǔ)償體積變化系數(shù)C可由式(6)計(jì)算：

(6)

式中：∑ΔV為系統(tǒng)中被補(bǔ)償?shù)墓ぷ饕后w的體積。

系統(tǒng)中被補(bǔ)償?shù)墓ぷ饕后w的體積∑ΔV可由式(7)計(jì)算：

∑ΔV=βVYpJ+aΔt·VY+ΔVQ(W)+ΔVL+ΔVG

(7)

式中：ΔVQ(W)為隨溫度變化而產(chǎn)生的氣體體積變化量，m3。

該系統(tǒng)中電機(jī)艙承受的靜水壓力為15 MPa，系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域南海海面與海洋1 500 m深處的溫度差約為25 ℃[14]。該系統(tǒng)為靜態(tài)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)且假設(shè)電機(jī)艙48 h無泄漏，被補(bǔ)償系統(tǒng)液體體積為0.77 L。計(jì)算得出電機(jī)艙需要的補(bǔ)償體積為0.05 L，取安全系數(shù)為5，則補(bǔ)償器容積為0.25 L。

4 紫外線防護(hù)裝置

海洋生物在設(shè)備上短時(shí)間內(nèi)附著時(shí)，尚未形成成熟的生物膜體系，容易被海水沖刷掉。隨著時(shí)間推移，生物膜與海洋細(xì)菌通過共價(jià)鍵等作用建立有機(jī)聯(lián)系[15]，海洋細(xì)菌不再輕易掉落。附著時(shí)間繼續(xù)延長，海洋細(xì)菌在設(shè)備表面形成動態(tài)附著，微生物膜在海水沖刷下脫落的同時(shí)也有不同種類的海洋生物繼續(xù)附著[16]。此時(shí)，海洋生物對于設(shè)備表面的材料也不斷腐蝕，同時(shí)還會遮擋攝像機(jī)和照明燈的鏡頭，影響設(shè)備捕捉圖像的能力。所以，必須在開始附著的短時(shí)間內(nèi)使用防污手段避免生物膜的繼續(xù)成熟。本系統(tǒng)中采取紫外線照射的方式，但設(shè)備脫離紫外線照射后，海洋生物依然會繼續(xù)附著，所以采用若干組紫外線殺菌燈循環(huán)持續(xù)照射照明艙和攝像艙的玻璃罩。紫外線作用距離有限，所以將紫外線防護(hù)裝置放置于艙外，減少了紫外線在傳遞過程中的能量損失。紫外線防護(hù)裝置如圖6所示。

圖6 紫外線防護(hù)裝置

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下攝像照明系統(tǒng)的控制部分主要包括電機(jī)、驅(qū)動器、編碼器、PLC的CPU模塊和RS485模塊以及I/O模塊等。系統(tǒng)由綜合顯示平臺的上位機(jī)頁面向放置于水下的設(shè)備發(fā)出指令，通過光纖路由器向控制艙集中供電、進(jìn)行控制信號以及視頻信號的傳輸?？刂婆搫t通過水密插頭向各艙分配信號，根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的信號指令進(jìn)行相應(yīng)動作，接受運(yùn)動狀態(tài)反饋信息。

6 結(jié)論

1) 三自由度水下攝像照明系統(tǒng)通過連接軸結(jié)構(gòu)將攝像機(jī)和照明燈分開放置，降低了照明燈和攝像機(jī)光線重疊造成的后向散射作用對圖像的影響。

2) 使用電機(jī)艙和舵機(jī)為照明艙和攝像艙提供同步水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和垂直方向的俯仰運(yùn)動，減少了攝像照明系統(tǒng)的自由度，消除傳統(tǒng)設(shè)備照明燈和攝像機(jī)水平方向上的旋轉(zhuǎn)誤差。

3) 使用壓力補(bǔ)償器對電機(jī)艙進(jìn)行正壓力補(bǔ)償，保護(hù)了艙內(nèi)元器件，使得整體設(shè)備可以在多種水深條件下工作。

4) 紫外線殺菌燈從外側(cè)照射的方式減小了紫外線通過玻璃罩造成的能量損失，延長了紫外線的有效作用距離，并且光學(xué)玻璃的材質(zhì)無需受紫外線性能限制,可使三自由度水下攝像照明系統(tǒng)在水下進(jìn)行長期監(jiān)測。