0 引　言

舰船在航行时会发生船体破损以及螺旋桨、舵等传动装置的损坏，导致在航率降低，则对舰船进行水下监测显得尤为重要^[1]。为了提高水下监测能力，设计一种应用于舰船监测的水下机器人，执行水下摄像和水下作业的任务，便于上位机能观察水下作业环境和设计水下作业方案^[1,14]。水下视频直接对目标实现高速成像，能获取丰富的目标特性和水下环境信息，在近距离水下作业中有着不可替代的作用^[5,6]。但海水对于光波的高吸收和散射表现出水下视频清晰度低、对比度低，导致舰船监测操作困难^[3,5]。

近年来，国内外研究人员对水下机器人视频成像进行了大量研究。Bosch等^[8]针对在水下不同介质之间的折射导致强烈的图像失真，校准和建模多个单相机组成的水下全向相机，并提出了相关摄像机参数。Birt MJ等^[9]提出视频技术在有自然光照的水域中效果出色，在黑暗环境中使用水下视频监测需补充灯光。Phillips曾专门详细介绍了GoPro的滤镜、防水壳、电池等配件以及如何使用GoPro进行捕获、编辑视频和查看水下图像。但廉价的动作摄像机（如GoPro）通常不适用于弱光环境，而Sony与Canon摄像机尽管价格较高，但在深水低光照条件下，却可提供较好的视频录制效果^[15]。沈凌敏等^[10]针对水下摄像系统成像效果不佳，提出了不可将照明灯与摄像机安装在同一位置，避免严重的后向散射影响，照明方向和拍摄方向成30°～45°成像的质量最好。张法全等^[11]针对水下机器人成像效果不佳，提出照明光源的方向角应该选取散射角较大的方向。张利等^[13]针对散射在水下成像时需克服的主要问题研究了光源的角度对水下成像质量的影响。董会等^[12,14]针对水下能见度较低，在超过一定深度后，水下也是处于微光状态或无光状态，提出了配合大相对孔径和大视场角的光学物镜及照明光源来改善水下微光环境下成像效果。现有的水下机器人视频成像系统不佳且并没有考虑到解决机器人工作过程中海洋生物附着的问题。本文为了提高舰船水下维护能力开发设计了舰船监测水下机器人视频系统，仿真计算了一种水下灯，提出一种水下摄像机与水下照明灯安装位置的确定，有效增强了水下成像的效果。

1 系统总体设计

舰船监测水下机器人视频系统包括水上信号接收及传输系统组件以及水下控制模块，系统框图如图1所示。蓄电池为信号接收及传输系统组件以及水下控制模块提供电能。视频采集模块采集到信息后，由数据采集模块进行收集，通过光电复合缆显示在水上的工控机上，同时可将工作视频存储在硬盘录播器上，以便后期查询^[5,9]。

1.1 供电系统

舰船监测水下机器人视频系统既充分考虑到了能量短缺，在方案设计时也考虑了视频系统总体的低功耗特点^[18,19]。为正确设置系统的功率，对每台仪器的功率参数进行计算，如表1所示^[17]。

可以看出，整个系统所集成的设备每次功耗为2 336 Wh。根据每次的功耗来选取2块并联的12V输出电压200 Ah容量的太阳能蓄电池，构成了整个系统的供电单元。根据此种搭配方式，整个系统能在蓄电池单独放电的状态下，连续工作2次。

供电系统由蓄电池和控制器组成。控制器输出12 V/DC给工控机、录像机供电，同时再由DC-DC模块转换为5V/DC给4G无线路由器、水上光纤收发器以及水上交换机供电。12V/DC通过光电复合缆传输到水下，12V/DC给摄像机和6个水下推进器供电，12V/DC通过DC/DC模块转换为5V/DC给水下交换机和水下光纤收发器供电。机械臂由24V/DC供电。

1.2 信号接收及传输系统组件

信号接收及传输系统由4G路由器模块、录播器、工控机、光纤收发器以及交换机组成。水上部分由光纤收发器、交换机、工控机、4G路由器模块组成，水下部分由光纤收发器、交换机组成。水下到水上的视频采集采用光纤收发器以及千兆交换机，将以太网信号转换为光信号，通过光电复合缆进行信号传输，再通过光纤收发器转换成以太网信号，同时光电复合缆给水下设备供电。水上到水下的网络链图如图2所示。水下视频通过光电复合缆传输到浮台上的录播器中，浮台搭载4G网络模块，采用4G无线通信模块与物联网应用开发平台相结合，两者通过蜂窝移动通信完成数据的实时上传^[7,20]。

2 水下灯的设计

针对海水浑浊水体和水下机器人工作过程中海洋生物附着影响光照的问题，考虑自主设计水下灯。水下灯由不锈钢圆柱一体切削制成，包括平面透镜、LED灯芯组件、底座支架、电机刷、密封O圈、散热灯台、水密接头、水下超声波传感器、水下舵机、单片机、驱动电路以及胶圈。水下灯设计如图3所示。

2.1 LED光场排列

海水表现出高吸收水体，后向散射也很明显，与同期悬浮泥沙浓度分布趋势一致，颗粒物吸收特性表现出以e指数衰减的趋势为主，在波长为580 nm黄光处衰减趋缓^[5]。LED具有光照利用率高，节省能源的优点，同时结构简单，体积较小，操作简单^[21,22]。水下光照太高会吸引海洋生物，为保证水下色彩的真实度，采用波长为580 nm的黄光、功率为10 W的4颗LED组成LED灯模组，经过海水吸收后能兼顾功耗和散热的同时提高发光功效。

本文对LED光源的光学设计和分析通过TracePro光模拟软件系统进行研究，通过TracePro可对光照实体进行设计、仿真不同的光照体系、通过仿真构建出光路系统，并且进行分析^[23]。由于水下灯采用圆柱体型，所以采用圆形阵列进行排列，改变各个LED灯到中心的距离d进行仿真分析，由于水下灯中间还有水下超声波传感器，所以d选取2～5 cm进行仿真。LED灯排列如图4所示。首先可将LED水下灯建立一个表面光源，之后将波长设为580 nm。然后在距LED光源的25 cm位置构建一条长35 cm×35 cm×1 cm的薄板，通过选择薄板的被光照面积为辐照度分析的平面，再通过选择设置好的单个LED灯具进行光线追迹。

将LED排列为圆形阵列，在不同LED间距下对圆形阵列进行光学仿真，仿真后的光照度分布情况如图5所示。由仿真后的光照分布图可知，当LED间距较大时，圆形LED阵列产生的光照度分布不均匀，离环形边缘越远光照度越弱。当d=2 cm时，光源能量得到了重新分配，中心能量更为集中。随着LED间距离的减小，其产生的光照度分布聚集，所以采用第一种方式，中心到各个LED距离为2 cm的排列方式进行设计。

2.2 自清洁装置

为了解决水下机器人在工作时，海洋生物附着难以清除影响光照度的问题，采用水下超声波采集信号，水下舵机以及单片机来进行控制清洁刷来清洁附着在水下灯上的海洋生物杂质。灯体内置入水下超声波传感器，灯体下方安装封装盒，封装盒内置入单片机，单片机的输入端连接水下超声波传感器，单片机的输出端控轴制水下舵机运行状态。水下舵机设置在容纳箱内，容纳箱内安装水下舵机，水下舵机的输出连接电机刷，电机刷在平面透镜表面实现左右刮刷。

当水下超声波传感器发出探测信号时，探测到前方有物体，单片机接收到信号，控制水下舵机动作，电机刷在水下舵机的带动下转动，进而使电机刷清理平面透镜上的附着物。单片机同时控制水下舵机每隔1 h动作一次，清洁灯上的杂质。当不需要清洁的时候，电机刷在水下舵机的带动下，在离水下灯稍远的位置，以防止挡住光源。

3 视频采集模块

为了观测水下环境，选择配置单摄像机与2个水下灯构成的水下视频系统。摄像机选择分辨率为2592×1 944像素以及1/1.8英寸5.0MP CMOS SONY高性能图像传感器。为了在水下可进行变焦近距离观察水下环境，选用焦距范围为3.6～11 mm三倍光学变焦的镜头。

光源的安装位置和方向角对监控效果至关重要。在图6所示的光源位置示意图中，以坐标原点O处的摄像机作为研究对象。A为光源所在位置，l为沿光源方向上某位置处小体积元dV与光源的距离，α为光源与摄像机的夹角，r为光源与摄像机的距离，γ为小体积元处的散射角，h为摄像机与小体积元dV的距离，即O点到光源中心线的距离，可近似相当于水体透明度。根据水下视频系统的要求，光源发出的灯光应能覆盖摄像机的整个视场，对于虚线处最小体积元而言，当光源与摄像机的夹角α确定后，光源的位置就可以确定。

根据图的几何关系，散射角γ与光源方向角α的关系可推导为：

$ {{h}} = \sqrt {{l^{\text{2}}}-{{r}}l\cos \theta }，$

(1)

$ \sin \gamma = \sin ({\text π} - \gamma ) = \frac{{l\cos \alpha }}{h}。$

(2)

式中：α为光源与摄像机的夹角；r为光源与摄像机的距离；γ为小体积元处的散射角；h为摄像机与小体积元dV的距离。

根据水下视频系统的要求，h可为水体透明度，当r与l确定，光源角α则确定。

位置B为视频区域的右边界顶点，位置A为左边界顶点，即OAB所示的三角区域是监控范围，∠AOB=90°。A₁为小于45°状态的任一位置，此处取∠OA₁B=60°时，即α₁=60°，r=$ \dfrac{{{h}}}{{\sqrt {\text{3}} }} $，l=$ \dfrac{{{{2h}}}}{{\sqrt {\text{3}} }} $；当∠OA₁B=45°时，此时α₂=45°，r=h,l=$ \sqrt {\text{2}} $h；A₃是超过45°状态的任一位置，此处取∠OA₁B=30°时，即$ \alpha_3 $=30°，r=$ \sqrt {\text{3}} $h，l=$ \dfrac{{{h}}}{{\sqrt {\text{3}} }} $。在B点处各自对应的散射角分别为：$ {\gamma _{\text{1}}} $=150°，$ {\gamma _{\text{2}}} $=135°，$ {\gamma _{\text{3}}} $=120°。随着A ₁向A₃移动光源，方向角由α₁逐渐缩小为α₃。在满足视频区域要求的前提下，照明光源的方向角应该选取散射角较大的方向^[11]。本文研究水下视频的问题，视角范围越大越好，即OA₁B的三角形面积比OA₂B与OA₃B面积都小，本系统不考虑原点O与A₁之间的位置。因此选择光源角α为45°的时候，此时r=h，l=$ \sqrt {\text{2}} $h。

4 水下视频系统测试

为了展现出本设计所采用的水下摄像机和水下灯的效果，在实验室水箱内进行实验。水箱内水体透明度用塞氏盘测试出为37 cm，模拟海水环境。保持摄像机和灯的水平位置到色卡最前端水平位置为26 cm，摄像机垂直高度为26 cm，摄像机俯角为45°，光源方向角为45°，焦距为3.6 mm，本系统拍摄效果如图7所示。

可知，本文提出的系统拍摄效果效果跟普通水下摄像机拍摄效果相比，清晰度高，对比度高，色彩更饱满，可准确拍摄出水下情况。

5 结　语

本文针对目前舰船监测存在的问题和不足，设计并实现一种适用于舰船监测的水下机器人视频系统。该系统包括水上信号接收及传输系统组件以及水下控制模块。通过设计一种水下灯，提高了在浑浊海域环境下的补光效果，采用水下超声波传感器实现自清洁，在满足成像效果的同时能够防止海洋生物附着。配置了光源与摄像机的夹角为45°的视频系统，能够提高水下成像效果，增强舰船维护能力。