照明技术在潜水器中的应用

杨申申，王 瑶，王 璇，胡 震

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）

照明技术在潜水器中的应用

杨申申，王 瑶，王 璇，胡 震

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）

根据潜水器行业的特点和需要，结合多年照明方面的实践经验，分析水下照明的特点，阐述水下照明技术的现状，并以“蛟龙号”载人潜水器的照明系统设计为例，探讨照明技术在潜水器中的应用情况。

水下照明；潜水器；LED

0 引 言

进入21世纪以来，随着海洋开发、海洋经济、海洋维权、海洋保护等观念的不断深入，潜水器技术得到飞速发展。但由于可见光在海水介质传播中具有特殊性，大部分光被海水吸收和散射，光能利用率很低，因此，水下照明设备成为深海潜水器上的关键设备。为了获得良好的照明效果，提高水下作业效率，世界主要国家纷纷开展了深海照明研究。笔者根据多年潜水器设计、建造及使用经验，分析水下照明的特点，阐述水下照明技术的现状，并以“蛟龙号”载人潜水器的照明为例，探讨照明技术在潜水器中的应用情况。

1 水下照明的特点

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：1）固有光学性质（IOP），仅与传输介质本身的物理特性有关；2）外显光学性质（AOP），取决于水体固有光学性质和与介质周围光场相关的光学性质。

图1 单色光源水下照度和距离的关系

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，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。在水下，红光被吸收的速度是蓝绿光的6倍。图1为单色光源水下照度和距离的关系，可以看出，红光（波长与蓝绿光（波长）和蓝紫光（波长）相比，衰减更为剧烈。

水中拍摄照片的对比度比陆地上低很多。对比度降低主要原因为：1）水中的自然光线较为分散并且有阴影现象；2）水中存在固体颗粒悬浮物，在光线传播路径上光发生散射，反映在最终图像的成像质量上即降低了对比度；3）由于不连续折射，图像质量本身在传输过程中也有所降低，成像光在传播过程中图像细节发生退化甚至完全丧失。

2 水下照明技术现状

潜水器照明使用的光源主要有白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯和半导体照明灯。表1中给出了水下光源的主要类型及其各自的性能特性。

表1 水下光源特性

2.1 白炽灯

白炽灯是最早发明的照明光源，其原理是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光。卤素灯是一种经过改进的白炽灯。白炽灯因其有光源小，便宜，显色性好，光谱均匀而不突兀等优点，在潜水器技术发展初期得到广泛使用。但受其效率较低，表面高温，易爆炸等因素影响，如今在潜水器中较少使用。

2.2 荧光灯

荧光灯发光原理为使电流激发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荧光粉发光，产生可见光。荧光灯效率较白炽灯高，为40%左右。但是，荧光灯体积较大，单位体积输出流明数无法和其他灯相比，作为潜水器水下光源应用较少。

2.3 高强度气体放电灯（HMI和HID）

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，如图2所示。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。

HMI比白炽灯效率更高，每瓦产生的流明数是其3～4倍，但是HMI需要一个独立的电子稳压器调节功率输入。由于不存在灯丝断裂的风险，HMI更抗冲击和震动，现在广泛应用于潜水器照明系统中。

与HMI互补的另一种高强度气体放电灯HID和HMI一样是弧光灯（图3），不同之处在于HID使用磁性稳压器取代电子稳压器。HID包括几种类型：水银蒸汽灯、金属卤化物灯、高压钠灯和较少的氙灯。HID可通过技术手段产生不同的光谱。与荧光灯、白炽灯相比，HID可在很小的体积下产生较大量的光，适用于潜水器照明。目前，潜水器使用的HID多数为金属卤化物灯。但是HMI和HID对启动时间有着严格要求，关闭以后再次开启需要等候10分钟以上。

图2 HMI

图3 HID

2.4 半导体照明灯（LED）

LED（图4）是一种半导体装置，当电流在前向方向有偏时发出不连续的窄光谱光源，属于场致发光。LED发光的颜色取决于半导体材料的化学构成，分为紫外光、可见光或红外光。作为一种快速发展的照明技术，与传统使用的卤素灯和HID灯相比，LED具有如下优点。

图4 自行研制应用于观察型潜水器的LED

1）发光效率高。LED发光芯片的效率一般是卤素灯的6～8倍。一个30 W的LED灯光通量相当于250W的传统卤素灯的发光量。虽然按一般光效定义的LED发光效率并不算高，但LED的光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达80%～90%，而白炽灯的可见光转换效率仅为10%～20%。大功率LED照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯的10%～20%。

2）寿命较高。LED的寿命一般具有5万小时，高质量的HID不会超过4 000小时，卤素灯的寿命更低。所以LED在水下安装调试好以后，在正常供电的情况下，基本上不需要更换，大大减少了维护成本和维护工作量。

3）能实现瞬时开启和关闭。LED瞬时启动的特点基于发光半导体特性，其启动时间仅为几纳秒。在有些高速摄影中，可作为闪光灯使用。相比之下，HID启动需要3分钟，关闭后再次启动需要的时间更长，而卤素灯因灯丝会烧断，其关闭和启动也不能频繁。

4）抗震性能好。LED发光半导体是焊接在灯座内的，内部没有灯丝等易断、易损元件，适合在水下恶劣环境中使用，对于潜水器等尤为合适。

3 “蛟龙号”载人潜水器照明系统设计

基于以上几种光源的特点，在潜水器照明系统的设计中较多采用组合设计的思路。文中以“蛟龙号”载人潜水器的照明系统为例进行说明，供设计人员参考。

根据潜水器乘员观察和摄像的需要，在“蛟龙”号载人潜水器上配备了17盏水下照明灯（水下照明效果如图5），包括1盏石英卤素灯，2盏HID，4盏HMI，10盏LED。

图5 “蛟龙号”载人潜水器水下照明效果

3.1 石英卤素灯

此次“蛟龙号”潜水器照明系统采用Deep-SeaLite系列石英卤素灯。该系列产品经过充分水下试验，得到广泛认可。

灯罩材料：钛6AL－4 V；

长度：202 mm；

直径：165 mm；

重量：空气中0.91 kg，水中0.45 kg；

工作深度：7 000 m；

环境温度：－5℃～40℃；

电气接头：BH3MP；

输入电压：110 VDC；

输出特性：250W；

灯头工作寿命：2 000 h。

3.2 HID

HID的效率是普通卤素灯的3～4倍。与HMI相比，HID的工作寿命更长，灯头与整流器的价格更低。

灯罩材料：钛6AL－4 V；

长度：275 mm；

直径：135 mm；

重量：空气中3.67 kg，水中1.8 kg；

工作深度：7 000 m；

环境温度：－5℃～40℃；

电气接头：LPBH3MP；

工作寿命：650 h；

整流器输入电压：110 VAC；

输出特性：400W；

灯头工作寿命：1000 h。

3.3 HMI

HMI采用MSR（Medium Source Rare）灯头，其效率是普通卤素灯的3～4倍，其工作色温为5 600 K。

灯罩材料：钛6AL－4 V；

长度：275 mm；

直径：35 mm；

重量：空气中3.86 kg，水中1.43 kg；

工作深度：7 000 m；

环境温度：－5℃～40℃；

电气接头：LPBH3MP；

整流器输入电压：110 VDC；

输出特性：400W；

灯头工作寿命：650 h。

3.4 LED

LED水下灯采用CREE发光芯片，内部集成了灯泡、镜头和驱动电路，其工作色温和摄像机相匹配，具有重量轻、效率高和易启动等特点。

灯罩材料：AL；

重量：空气中0.6 kg，水中0.2 kg；

工作深度：7 000 m；

环境温度：－5℃～40℃；

电气接头：MCBH3M；

整流器输入电压：110 VDC；

输出特性：60 W；

灯头工作寿命：2 000 h。

整个照明系统布置如图6所示。在这样的配置下，根据现场情况进行合理组合后，可为潜水器观察、摄像、作业等提供足够的照明强度，在保证足够的水下能见度下提供合理的水下照明光谱。潜航员也可根据工作需要开启相应的灯或几种灯组合进行照明。

图6 “蛟龙号”载人潜水器照明系统布置

4 小 结

随着人类探索深海脚步的不断前进，水下照明技术也在不断发展，从传统的卤素灯，到目前使用较多的HID和HMI，以及最新出现的LED。近几年，在一批高新技术项目如“蛟龙号”潜水器的带动下，中国水下照明技术水平大幅度提升，但与国外相比仍有一定的差距。通过多年的潜水器设计、建造及使用经验，在照明系统方面，心得如下，供大家参考。

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。

纯净水和清澈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，在水下照明时应尽量选择蓝绿光。

为了摄像效果而需要红光的情况下，可通过高强度闪光灯和相机配合来产生更多的红光，从而得到色彩均匀的图像。

减少在被拍摄物体和摄像机之间的一些不必要灯光，减弱由于散射而产生的背景亮度。具体可通过将灯光和摄像机分开布置来实现，在特别浑浊的水下，可有效布置2～3盏低功率灯来替代1盏高功率灯。

在一些近岸环境下，由于反向散射，可视距离大概只有1～2 m。此时将光源从摄像头前方移开有利于提高可视性。

LED在水中具有较强的穿透能力，兼具寿命长、环保、可靠性高、无频闪及低温启动快等特点，能获得良好的照明效果，在潜水器领域将得到广泛应用。

［1］孙传东，陈良益，高立民，等.水的光学特性及其对水下成像的影响［J］.应用光学，2000，21（4）：39～46

［2］楼志斌.半导体照明技术在水下探测设备中的应用研究［J］.船舶工程，2011，33（6）：12～14

［3］张法全，王国富，叶金才，等.水下光学监控系统照明方式的研究［J］.光子学报，2011，40（7）：1061～1065

［4］曹晓燕，谢仁富，张彦敏.基于LED的水下目标高速摄像照明系统设计［J］.舰船科学技术，2014，36（8）：118～136

App lication of Underwater Lighting for Submersible

YANG Shenshen，WANG Yao，WANG Xuan，HU Zhen
（China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，P.R.China）

According to the characteristics and needs of submersibles，combined with the practical experience of years of lighting scheme，the characteristics of underwater lighting are analyzed.And the research and status of underwater lighting are described.Lastly，as the example of HOV‘Jiao long’，the application of underwater lighting in the submersible is investigated.

underwater lighting；submersible；LED

2015-12-08

国家高技术研究发展计划（863计划）课题（2014AA09A110）

杨申申（1981－），男，安徽砀山人，高级工程师，硕士，主要从事潜水器研究设计工作。