基于LED的水下目标高速摄像照明系统设计

曹晓燕，谢仁富，张彦敏

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064)

0 引 言

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、信号传输性能等都已有较大提高，高速摄像系统在航空航天科技、弹道轨迹研究以及超高质量电影拍摄等领域获得了广泛的应用。随着水下应用的拓展，高速摄像在水下爆炸、水下武器发射、水下尾流气泡试验研究等领域的应用也越来越广［1－3］。

照明技术是水下高速摄像中非常重要内容，这是由于光在水中传输会受到水下诸多因素的影响使得水下自然光照条件很差，并且由于吸收和散射的影响使得水下传输距离非常有限［4－5］。高速摄像的拍摄帧率很高，所以对照明的要求更高，因而，水下辅助照明系统就成了水下高速摄像系统必不可少的重要组成部分。

1 水下光学及水下照明

光在水下的传播性质与在空气中的传播性质不同，即使是经过过滤的最纯净的水，它对光的衰减也是很严重的，因此需要结合水下光学性质，进行合理的水下照明系统设计。水体的光学性质可分为两类［5］:1)固有光学性质(IOP)，它仅与传输介质本身的物理特性有关;2)外显光学性质(AOP)，它决定于水体固有光学性质和与介质周围光场相关的光学性质。

固有光学性质主要指水对光的散射和吸收，散射和吸收作用是光在水中传播的2 个基本过程，它们造成光的衰减。水中光散射是指光在水中传播时，受到介质微粒的作用，偏离原来直线传播的方向，它包括水中的米氏散射、瑞利散射和透明物质的折射所引起的随机过程。吸收是光子能量转变为热能、化学能等引起的多种热力学不可逆过程。水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的，具有明显的选择性。水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收，在可见光谱区段，吸收最大的分别是红色、黄色和淡绿光谱区域。纯净水和清的大洋水在光谱的蓝－绿区域透射比量大，其中波长462 ～475 nm 的蓝光衰减最少，因此，在水下照明应用时应尽量选择蓝绿光作为水下照明。

水中拍摄的照片的对比度比陆地上的低很多［6］。在没有自然光照明的情况下，水下光源便成为水下摄像时不可缺少的装置，在选择水下照明设备时，必须考虑到光的波长分布范围、介质的光学特性以及摄像设备的灵敏度。蓝光LED 在水中具有较强的穿透能力，兼具寿命长、环保、可靠性高、无频闪，低温启动快等特点，能够获得良好的照明效果，因此非常适合应用于水下照明。

2 水下高速摄像系统

本文的水下高速摄像系统主要用于某水池内水下发射装置的试验拍摄。整个系统主要包括:高速摄像机、水下专用镜头、水下照明灯阵列、控制与数据采集和传输系统、计算机控制系统等，水下高速摄像系统框图如图1所示。

图1 水下高速摄像系统框图Fig.1 Skeleton drawing of underwater high-speed photography system

3 水下照明系统设计

该水下照明系统主要用于配合水下高速相机拍摄水下的高速运动目标，水下高速相机的拍摄速度超过1 000 fps。照明的目标区域为4 m×30 m 的狭长区域，系统设备在拍摄时有可能会受到水下目标高速运动产生的振动和冲击。水下照明系统的系统组成如图2所示，主要包括包括水下LED 照明灯阵列及其安装附件、水面转接箱、水下照明电源配电柜、水密电缆以及岸上电缆。

考虑水下照明的特点，并结合高速摄像的要求，本水下照明系统重点考虑以下几个方面:照明灯的光束角、照明灯的总功率、照明灯的部署距离、照明区域要求达到的照度。

3.1 照明灯的部署距离

照明灯与目标面的距离直接关系到照明的整体效果，由于水体的散射和吸收，水下照明对照射距离十分敏感。灯具与目标越近，衰减越小，目标受光面所获得的照度越高，对高速成像就越有利［6－7］。但是，灯具过于靠近目标则容易受到高速运动目标的冲击，严重时有可能损坏灯具。因此，根据摄像系统的照度要求以及灯具总功率的推算，确定灯具安装位置距目标面为5 m。

图2 水下照明系统原理图Fig.2 Diagram of underwater lighting system

3.2 目标区域的照度

对于高速相机与水下照明系统而言，另一个重要的方面是水下高速相机的感光度(灵敏度)和目标区域水下照明的照度(或亮度)的配合。经过多次的试验验证并结合关于在一定高速摄像速率、一定高速相机灵敏度、一定拍摄距离(如上面建议的5 m距离)条件下的科学计算，高速相机的感光度在6 000 ～10 000 ISO 条件下，在拍摄速率1 500 ～2 000 fps 时，高速相机正对目标区域的照度如果达到200 ～400 lx 以上将会产生良好的高速摄像拍摄效果。因此，目标区域的平均照度要求不低于400 lx。

3.3 照明灯的光束角及部署

灯具光束角的设计与灯具阵列的排列及摄像机的安装位置应综合考虑，尽量减小水下光线散射对摄像的影响［7］。本文的照明方案如图3所示，在垂直方向上，每盏池内照明灯的光束角为30°，照明灯距离目标面5 m，水下照明灯覆盖30 m 的垂直区域。左右2排照明灯阵列交叉布置在高速相机的两侧，左侧部署12 盏光束角为30°的照明灯，右侧部署12 盏光束角为30°的照明灯，这样可以完整覆盖30 m 的垂直区域。左侧照明灯与右侧照明灯之间的高度错开1.2 m，这样两侧的照明灯均存在水平和垂直面上的照明区域交叉，从而尽量做到照明的均匀。

在水平方向上，将照明灯部署在距目标中心5 m的圆周边，根据相关的光学计算(照度、均匀性)结果，适当对照明灯的实际部署情况进行调整分析。照明灯部署在水下高速相机的两侧，照明灯可以与高速相机部署在同侧，也可以在控制直射光的条件下，将照明灯部署在高速相机的对面两侧。

图3 照明灯部署图Fig.3 Dispose of LED arrays

4 光学仿真

本水下照明系统总共部署24 盏池内照明灯，每盏照明灯的功率为420 W，已知照明距离、目标面照度要求，就可以通过光学计算工具和光学建模对各参数进行更改、优化。图4 为光学仿真的流程图。图5 为水下照明灯反光杯的光学特性曲线。

图4 光学仿真流程图Fig.4 Flowchart of Optical simulation

图5 反光杯的光学特性曲线Fig.5 Optical characteristic of curve reflecting cup

4.1 单盏灯具垂直照明特性

4 个约100 W 的LED 组成模块与目标面的垂直距离为7 m 时，LED 阵列垂直照明在目标面上的照度如图6所示，在目标区域内的收光效率为96.5%。

图6 LED 垂直照射时目标面上的照度图(L=7 m)Fig.6 LED array vertical illumination in the target surface illumination map(L=7 m)

4.2 单盏灯具斜向照明特性

当LED 阵列与目标面的距离为7 m，并且与目标面法线的夹角为30°，在目标面上形成的照度分布如图7所示。从图中可以看出，其照度分布左右不均匀，左边的照度明显高于右边照度，光通量为35 775 lm，到达目标面上的效率为91.6%。图8 为在照明距离为5 m 下形成的照度分布图，比较可看出，在照明距为5 m 的情况下，照明光斑无法充满整个4 m 宽的目标区域，因此若采用照明距5 m，会导致均匀性下降。

图7 LED 斜照明在目标面上的照度图(L=7 m)Fig.7 LED array oblique illumination in the target surface illumination map(L=7 m)

图8 LED 斜照明在目标面上的照度图(L=5 m)Fig.8 LED array oblique illumination in the target surface illumination map(L=5 m)

4.3 灯具阵列照明

图9 为多排LED 阵列斜照明系统结构图，一侧LED 灯具为12 个，另一侧LED 灯具为11 个。照明灯从两侧斜±30°入射到目标面上。图10 为在4 m×30 m 大小的目标面上形成的照度图，平均照度值为7 178.6 lx，最小照度为5 800.2 lx，均匀性为80.8%，最终到达该目标区域上的光效率为88.7%。从图11 可看出，在目标面中心照度最高，而边缘区域的照度下降较为缓慢。

图9 多排LED 阵列斜照明系统示意图Fig.9 Schematic diagram of multiple rows LED array oblique incident illumination system

图10 LED 阵列斜照明在目标面上的照度图(照明距离7 m，30°倾角入射)Fig.10 LED array oblique illumination in the 4 m×30 m target surface illumination map(L=7 m，angle 30)

图11 照度分布图Fig.11 Illuminance distribution map

照明灯从两侧斜±45°入射到目标面上。图12为在4 m×30 m 大小的目标面上形成的照度图，平均照度值为6 480.3 lx，最小照度为5 527.2 lx，均匀性为85.3%，最终到达该目标区域上的光效率为79.8%。从图13 可以看出，在目标面中心照度最高，而边缘区域的照度下降较为缓慢。

图12 LED 阵列斜照明在目标面上的照度图(照明距离7 m，45°倾角入射)Fig.12 LED array oblique illumination in the 4 m×30 m target surface illumination map(L=7 m，angle 45°)

图13 照度分布图Fig.13 Illuminance distribution map

系统仿真总效率估算如表1所示。

表1 系统仿真总效率估算Tab.1 Estimate the total efficiency of system simulation

5 试验与结果

在某水池内进行了水下高速摄像照明系统试验。试验的相机为美国IDT 公司的Y3－S1 高速相机，镜头为最大光圈为F/1.8 的水下专用镜头，照明灯为400 W 的水下LED。进行了不同目标距离不同入射方向角、顺光、逆光条件下的试验，图14 为照射距离分别为5 m和7 m 时高速相机拍摄到的图像。从试验结果来看，相同的照明灯，相同的照射距离，对于与拍摄水中气泡来说逆侧光拍摄的效果比顺测光的效果好。

图14 水下高速摄像系统试验拍摄到的照片Fig.14 Images of underwater high-speed camera system test

6 结 语

LED 取代现有的光源已是当今的发展趋势，在室内照明、路灯、车灯及其他领域都有许多设计的案例，在水下照明领域相关的研究和讨论还较少［5，8］。

针对水下光学的性质和水下照明的特点，本文提出了基于LED 的水下目标高速摄像照明系统方案并对某典型水下高速摄像照明系统进行了详细设计。对不同配置的LED 阵列进行了光学计算及仿真，得出了最佳的照射距离及光源角度配置。水下高速摄像系统试验结果为大范围水下高速运动目标观测照明系统设计提供了参考。

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