海底成像系統

海底成像系統

海底成像系統是指在海底環境下,進行圖像檢測並將檢測到的圖像呈現出來的系統。海底成像系統系統主要有光學系統和機械結構系統組成。成像系統的主要設計思路主要是對體型、質量、品質的要求,實現成像系統的設計理念。使起達到輕便、小巧、設計嚴密等特點。

發展現狀

上世紀四五十年代以來,國外水下雷射成像技術的發展主要體現在改善了傳統攝像機的透鏡、彩色平衡濾光片、壓力孔,此外,高解析度攝像機的問世也大大改進了此項技術。在這一階段當中,水下所拍攝的相片質量往往不高,因此,水的物理性質所造成的影響成為了水下雷射成像的研究重點。
美國在水下雷射成像系統的研究開始於幾十年前,考慮到保密的因素,並沒有相關報導,目前,國外已有多款型號的水下雷射成像系統問世,主要套用于海下攝像和探測等方面。此類系統還可被布設在船隻以及艦艇下面,用來捕捉水下的二維圖像。當船隻航行時,海底的二維圖像就會由系統成現,水下雷射成像和探測距離可達4個衰減長度,系統所成圖像的清晰度和解析度都很高。另外,有國外開發研製的具有快速旋轉特性的稜鏡控制雷射技術系統,在軍用潛艇上已有裝配。

最近幾年,國內各研究部門也對水下成像技術提高重視。某大學正在研發一種選通型水下成像器件,主要運用於對水下目標的觀測與研究,選擇使用了國內某型號高性能雷射增強設備,研製開發完成後,應該會對國內水下成像系統的套用水平起到一定的推動和指導。

工作原理

首先,選用比較狹窄的雷射來傳送並接受,在掃描裝置與物體之間所在的區域進行掃描,這樣可以將掃描空間進行分離。雷射器不間斷的傳送連續的光源,達到掃描整個視場的目的。此時,光路回收器接受往返光束,並且也起到掃描的作用。其中,接收器只負責接受重疊部分所產生的往返光束,其餘的光束都不接受,這樣就形成了很大的視場角,使得光束的後向背景散射光束儘可能少的被接收器接受。隨著光源發射角度的調整,往返光束的交角也隨之變化,這樣使得成像距離變得可控。水下雷射成像系統原理圖如圖所示。

海底成像系統 海底成像系統

在一定程度上,雷射雷達原理與水下成像系統原理有類似之處。雷射器發射脈衝光束,雷射通過在水介質對水下目標進行圖像採集,接收器接受反向光束後成像。在水介質中,光的能量杯削減,受到各種因素干擾後,嚴重的影響了成像系統的成像質量和探測距離。

作為一個成像系統的絕對核心部件,CCD通過光電轉化把我們所眼見大千世界轉化成電信號,進而轉換為能夠輸入微機的二進制數位訊號。CCD(電荷藕合攝像器件)圖像感測器具有較高的解析度,並且它具有較低的噪聲產出,高敏感度以及體型小的特點是其適合各種系統的配備,動態廣,重量輕等優點在航天成像方面也具有相當獨特的優勢特點,所以CCD光電藕合器件比較適合水下成像系統的特性。CCD器件基本工作原理與金屬矽的特性以及電容的物理特質相關。光信號衝擊在CCD面板上,在半導體器件中產生光電轉化,然後通過脈衝驅動,產生電信號,隨著各時序的驅動,從而產生了數字信息和圖像信息。

密封設計

在空氣環境中的密封系統與水下環境中的密封系統有很大的區別,水下環境惡劣,而且各項要求也非常嚴格。

①在水下環境中,對於整個系統的安全指標要求很高,最重要的就是要絕對防止水的進入,如果不慎有水進入,不但使整個系統癱瘓,甚至會導致系統各部件受損。

②由於水介質中的壓力的存在,所以對整個系統的體型以及重量的要求會更加嚴格,只有體型足夠小,重量足夠輕的系統參數,才能滿足水下環境的要求,所以系統對重量比的要求格外嚴格。

③因為整個系統是在水中,水介質中含有很多微生物,而且水的成分十分複雜,這樣就要求密封材料要有很強的耐腐蝕性,而且系統內部也有金屬器件,所以既要滿足內部耐腐蝕環境也要滿足外部水環境的要求。

④水下環境不同於空氣中,水的壓強過大,如果密封材料抗壓能力不足,系統極容易損壞,由於工作深度的不同,材料要滿足內部和外部的雙重壓力,所以要求較高。

對於防止水的滲入採取以下措施:
(1)對系統端面採取儘量嚴密的靜密封。
(2)在水與系統接觸的位置上布置O形密封圈,能夠有效的達到密封效果。
(3)對於複雜的水下系統,可以假設一個密封箱作為分離海水的有效屏障。
水下密封的方式有很多,常見的密封方式有0形圈密封和機械密封。

O形圈密封

o型圈屬於壓力密封型組件,其受到外力作用會變形並起到密封的作用,封住系統內部與外部水的連線處,達到密封的效果。o型圈的特點是,體型較小,並且具有簡單而已安裝的結構,並且製作成本低,結構緊湊等優點。並且其具有良好的使用範圍,適用溫度範圍廣的特點。o型圈的不足體現在動態密封結構中,因為動密封處在不斷運動的系統當中,所以很難做到無泄漏。並且由於密封面比較光滑,所以容易出現打滑的現象,所以主要運用於靜密封系統當中。

機械密封

機械密封在醫療器械、軍工、石油煉化、鋼鐵等行業都有相當廣泛的套用。密封面為受力可變型式的軟體構成,當系統外部受壓時,密封面的摩擦力增大,使密封系統與內部系統直接的緊湊型增強,達到無縫隙狀態。為了更好的使用系統要求,機械密封一般具有以下特點:

(1)擁有較長的使用時間,無需經常性的更換,抗磨損,材料成本低。
(2)具有良好的抗振性,能夠起到很好的緩衝作用。
(3)密封性能良好,密封精度高,具有很高的可控性。
(4)結構簡單,適合簡單裝配,價格較為低廉,適合較為複雜的系統環境。

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