深海运载装备照明技术与应用情况

齐海滨，赵晟娅，沈 鹏

(国家深海基地管理中心,山东 青岛 266237)

引言

深海运载装备可以运载人员、设备到达深海的海山、热液、盆地和洋中脊等复杂海底地形进行巡航、悬停、拍摄影像资料等作业，为人类更好的了解和探测深海提供宝贵的资料。深海中，水对可见光在内的电磁波的吸收、散射及折射等作用，使得水下自然光照条件很差，除了生物光外，几乎没有任何可见光，如果深海运载装备想要使用光学设备对近地环境进行观察，搭载水下照明设备就成为执行水下任务必不可少的举措[1-3]。

水下照明设备的选择需要综合考虑诸多因素：光的衰减、散射、不均匀的光影、滤光、悬浮颗粒和大量的因被吸引而可能阻塞和环绕照明灯的海洋生物。首先，照明灯的性能因为吸收、折射和反射而受到限制，吸收导致光量子快速减弱，从而限制了最大照明范围，最大照明范围跟光源的功率是成正比的，同时还取决于光的波段，像红光和橙色光这类长波段的光首先在浅层被吸收，像紫光和蓝光这类短波段的光最后在深层被吸收；其次，海水和其中含有的生物杂质就像一个滤色镜，大量的生物杂质和地质杂质增加了海水的浑浊度从而进一步减弱了光的传播，两种普遍的生物杂质是叶绿素与黄质。叶绿素是海洋中至关重要的吸光物质，在光合作用中浮游植物利用叶绿素中的绿色素来生产碳，叶绿素强烈吸收红光和蓝光并反射绿光。黄质是可溶解有机物里一种微黄的光学可测的物质，它影响生物活性并强烈吸收蓝光。相反，纯净海水中的水分子吸收太阳光光谱中的红光、黄光和绿光，分散蓝光。最后，深海的高压环境对照明设备的耐压封装、电气接口选择、透镜的耐冲击性、透光度与耐温度骤变能力，以及匹配搭载等问题也会有更高的要求[4-6]。

1 深海运载装备用照明灯简介

1.1 主要照明灯种类及性能

深海运载装备用照明灯因为需要根据实际使用水深设计专用的耐压封装结构以达到水下承压的效果，根据实际使用需求选择不同波长的光源以达到远而窄或近而宽的照明效果，根据海水散射及折射等光学特性选择特定的封装镜片和反光罩以达到良好的照明效果，故和常用照明设备具有显著的差别。现使用的水下照明灯主要有以下种类[6，7]：

1)卤素灯。卤素灯的发光原理就是加热钨丝发光，但是区别于其他白炽灯的一个措施就是，灯泡中充满卤素气体，卤素气体和会发光的金属钨相结合，在玻璃内形成对流。当气体经过流经灯丝周围，就重新附着在灯丝上，这种挥发和附着循环反复进行，防止灯泡变黑，延长了寿命。目前强力卤素灯广泛应用于水下照明和摄像，但是由于卤素灯的最大强度位于1.1 μm处。在频谱中给蓝绿部分提供较小的百分比。所以利用更高功率的卤素灯来提高照射距离是没有意义的[8-11]。

2)荧光灯。荧光灯使用电流激励处于氩气或氖气中的汞蒸汽而产生短波紫外光，接着紫外光引起镀在灯管上的磷发光，产生可见光。荧光灯效率为40%。也就是说，产生相同光强的荧光灯，其使用的功率和产生的热量分别为白炽灯的四分之一和六分之一。然而，在多数的水下应用中，荧光灯的每体积输出流明数无法和其他灯相比，所以其作为水下光源应用较少。

3)高强度气体放电灯(HMI/HID灯)。HMI 是一种电弧放电灯，其电弧处于浓度较高的汞蒸汽和稀土卤化物蒸汽中，具有类似日光灯的色温，在5 600 K 左右。HMI 产生的灯光具有高色温(较长的波长)，穿透性好，能在较广的区域提供更好的真彩色照明，是一种理想的水下物体摄像照明光源。HID灯主要包括高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯，其通过气体电离发光，启动时超高压击穿电离的稀有气体，形成功率回路，具有亮度高、照射范围远、耗能少等优点。深海运载装备多使用金属卤化物灯，其光效可达130 lm/W，显色指数可达90以上，色温可由低色温(3 000 K)至高色温(6 000 K)，寿命可达10 000～20 000 h。但是这种照明灯启动稳定时间较长，需4～8 s，且再启动时间需要间隔10～15 s，且HID等需要配备装专用的稳压器，间接增加了设备体积和重量[12]。

4)半导体照明灯(LED灯)。LED灯是一种直接将电能转换为光能的固体原件，具有体积小、寿命长、可靠性高等优点，并且是低电压工作，能与集成电路等外部电路良好结合，便于控制。LED灯的许多优点已经超越卤素灯，如寿命长、能源效率更高，更宽的色域，可产生更类似于日光的光线[6]。最显著的优点是体积较小，如6 000 m水深的LED灯重量仅为0.226 kg，尺寸仅为直径0.081 m，长约0.152 m，却能产生6 000 lm的光通量[13]。

深海运载装备用水下照明灯优缺点如表1所示。

1.2 主要照明灯产品

目前，市场上具有适用于不同海水深度的照明灯产品，但主要以国外成熟产品为主。

1)深海电力和照明公司(DEEPSEA Power&Light)产品。其产品在泰坦尼克号探险队、俾斯麦探险队、国家地理学会、WHOI、洛克希德公司、海洋工程公司、斯克里普斯海洋学研究所以及深潜潜水器(如阿尔文号、海崖号、杰森号、海龟号、鹦鹉螺号、Mirs I & II号、凯科号和深海6500号)中得以使用，并拍摄和制作埃德蒙号、菲茨杰拉德号、卢西塔尼亚号、铁底音号和加拉帕戈斯群岛的纪录片，如电影《泰坦尼克号》拍摄过程使用的就是该公司的照明产品。

2)康斯伯格海事公司(KONGSBERG Maritime)产品。其生产的水下摄像设备得到较好的应用，如应用在蛟龙号载人潜水器、东北太平洋美国西海岸OOI海洋观测系统等，同时在遥控潜水器(ROV)上也有广泛的应用，水下照明设备并不是其主打产品，只是为其生产的水下摄像设备提供配套辅助。

表1 深海运载装备用照明灯性能对照表

3)其他。随着深海运载装备的不断开发，许多企事业单位开始水下照明设备的研发工作，并陆续推出了相应的产品。如上海交通大学、中国船舶重工集团公司第七〇二研究所、中国科学院深海科学与工程研究所、中科院自动化研究所、Guatek Technology Ocean Exploration、Global Ocean Design、Deep Ocean Exploration and Research等单位都已开发了水下照明装备或为其主研设备配套了照明装置，例如：应用于“蛟龙号”载人潜水器中的上海交通大学研制的“HKY”系列HMI灯，应用于“天涯号”“海角”着陆器上中国科学院深海科学与工程研究所自主研发的深海光学成像系统，应用于“深海勇士号”载人潜水器上中国船舶重工集团公司第七〇二研究所研制的LED灯阵等[14]。

2 照明设备在深海运载装备上的典型应用

1)中国蛟龙号载人潜水器(图1)。“蛟龙号”载人深潜器是中国首台自主设计、自主集成研制的作业型深海载人潜水器，设计最大下潜深度为7 000 m，目前由国家深海基地管理中心负责日常运行管理。蛟龙号照明系统包括17盏水下照明灯，其中包括1盏石英卤素灯，4盏HMI灯，2盏HID灯，10盏LED灯，通过多类型照明设备的组合使用，实现水下良好的照明和成像效果。照明设备主要技术指标如表2所示。蛟龙号照明设备亮灯效果如图2所示。

图1 蛟龙号载人潜水器Fig.1 Submersible “JIAOLONG”

2)美国阿尔文号载人潜水器(Alvin)。阿尔文”号载人深潜器是目前世界上著名的深海考察工具，服务于伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI)。它是 20 世纪 60 年代初根据美国明尼苏达州通用食品公司(General Mills)的一位机械师哈罗德 (Harold Froehlich) 的设计而建造的。升级后阿尔文有12路照明设备，其中包含10盏LED灯，它的效率是之前用的灯泡的五倍，使用时间是之前的四倍(可用五年以上)，每盏LED灯都可以进行精确调节，还有2盏向下照射的观察用照明灯，同时还有1盏用于定位和应急求生的频闪灯，1套用于光学测距的激光设备[15]。

表2 蛟龙号照明设备性能对照表

图2 蛟龙号LED灯工作状态Fig.2 LED lamp working state of submersible “JIAOLONG”

3)法国“鹦鹉螺”号载人潜水器。法国1985年研制成的“鹦鹉螺”号载人潜水器最大下潜深度可达6 000 m，活动范围可以遍及全球海域的97%。其照明设备主要包括650 W的碘泛光灯2个，400 W的HMI泛光灯5个，还用2套为摄像设备所配套的300/600J的闪光灯。

4)俄罗斯“和平号”(MIR-Ⅰ/Ⅱ) 载人潜水器。6 000 m级的MIR系列载人潜水器(MIR-1和MIR-2)，由芬兰公司的子公司劳马-雷波拉的海洋公司设计和建造，俄罗斯科学院海洋研究所(he Russian Academy of Sciences’s Shirshov Institute of Oceanology)的建设者和工程师进行监管，现在由俄罗斯科学院进行操控。1991年为了配合泰坦尼克号残骸的拍摄，对照明系统进行了升级改进，加装了可以折叠展开的照明灯架，进一步提升了照明效果，最多时和平号载人潜水器配备了8盏功率为1 200 W DEEPSEA Power&Light公司生产的HMI灯，2盏LED灯和2盏石英卤素灯。

5)日本“深海6500”号载人潜水器。“深海6500”号载人潜水器建造于1989年，设计深度6 500 m，曾下潜至6 527 m深的海底，现在由日本海事科学技术中心(Japan agency for marine-earth science and technology,JAMSTEC)进行运行。“深海6500”配备的灯光是汽车灯照明度的3～4倍。在没有悬浮物质的海水中，每一个灯光可以照见深潜器周围10 m的范围，其主要包括2盏左右观察窗下部的照明灯，2盏搜索灯，以及1盏为高清摄像设备匹配的高强度照明灯[16]。

6)中国“深海勇士”号载人潜水器(图3)。“深海勇士”号载人潜水器是中国第二台深海载人潜水器，它的作业能力达到水下4 500 m，国产化率达到95%以上，目前由中科院深海科学与工程研究所运行管理。其照明设备全部为国产，主要是由中船重工第七〇二研究所及上海交通大学研制，其包含12盏300 W的LED灯阵，6盏400 W的HMI灯及一盏120 W的LED灯。

图3 “深海勇士”号载人潜水器Fig.3 Submersible “SHEN HAI YONG SHI”

3 总结

从现有的关于深海照明灯的应用情况来看，水下尤其是深海照明灯因为受应用范围小、抗压、散热、密封、光源分析、聚光设计等因素影响，其研制及实验成本较高，多数深海运载装备依旧选择进口国外成熟产品。但随着像蛟龙号载人潜水器等深海运载装备的成功应用，国内许多企业及科研机构开始自主研发水下照明设备并陆续应用在深海运载装备上。

此外，在考虑水下照明设备的照射范围及距离的基础上，如何配合水下摄像设备取得较好的成像效果也成为水下照明设备研发的主要技术难点。LED灯因其寿命长、能效高、色域宽及工作电压低等优势，将会在深海运载装备照明中得到越来越多的应用。