齊海濱，趙晟婭，沈 鵬

(國家深?；毓芾碇行?山東 青島 266237)

引言

深海運載裝備可以運載人員、設備到達深海的海山、熱液、盆地和洋中脊等復雜海底地形進行巡航、懸停、拍攝影像資料等作業(yè)，為人類更好的了解和探測深海提供寶貴的資料。深海中，水對可見光在內的電磁波的吸收、散射及折射等作用，使得水下自然光照條件很差，除了生物光外，幾乎沒有任何可見光，如果深海運載裝備想要使用光學設備對近地環(huán)境進行觀察，搭載水下照明設備就成為執(zhí)行水下任務必不可少的舉措[1-3]。

水下照明設備的選擇需要綜合考慮諸多因素：光的衰減、散射、不均勻的光影、濾光、懸浮顆粒和大量的因被吸引而可能阻塞和環(huán)繞照明燈的海洋生物。首先，照明燈的性能因為吸收、折射和反射而受到限制，吸收導致光量子快速減弱，從而限制了最大照明范圍，最大照明范圍跟光源的功率是成正比的，同時還取決于光的波段，像紅光和橙色光這類長波段的光首先在淺層被吸收，像紫光和藍光這類短波段的光最后在深層被吸收；其次，海水和其中含有的生物雜質就像一個濾色鏡，大量的生物雜質和地質雜質增加了海水的渾濁度從而進一步減弱了光的傳播，兩種普遍的生物雜質是葉綠素與黃質。葉綠素是海洋中至關重要的吸光物質，在光合作用中浮游植物利用葉綠素中的綠色素來生產碳，葉綠素強烈吸收紅光和藍光并反射綠光。黃質是可溶解有機物里一種微黃的光學可測的物質，它影響生物活性并強烈吸收藍光。相反，純凈海水中的水分子吸收太陽光光譜中的紅光、黃光和綠光，分散藍光。最后，深海的高壓環(huán)境對照明設備的耐壓封裝、電氣接口選擇、透鏡的耐沖擊性、透光度與耐溫度驟變能力，以及匹配搭載等問題也會有更高的要求[4-6]。

1 深海運載裝備用照明燈簡介

1.1 主要照明燈種類及性能

深海運載裝備用照明燈因為需要根據實際使用水深設計專用的耐壓封裝結構以達到水下承壓的效果，根據實際使用需求選擇不同波長的光源以達到遠而窄或近而寬的照明效果，根據海水散射及折射等光學特性選擇特定的封裝鏡片和反光罩以達到良好的照明效果，故和常用照明設備具有顯著的差別?，F(xiàn)使用的水下照明燈主要有以下種類[6，7]：

1)鹵素燈。鹵素燈的發(fā)光原理就是加熱鎢絲發(fā)光，但是區(qū)別于其他白熾燈的一個措施就是，燈泡中充滿鹵素氣體，鹵素氣體和會發(fā)光的金屬鎢相結合，在玻璃內形成對流。當氣體經過流經燈絲周圍，就重新附著在燈絲上，這種揮發(fā)和附著循環(huán)反復進行，防止燈泡變黑，延長了壽命。目前強力鹵素燈廣泛應用于水下照明和攝像，但是由于鹵素燈的最大強度位于1.1 μm處。在頻譜中給藍綠部分提供較小的百分比。所以利用更高功率的鹵素燈來提高照射距離是沒有意義的[8-11]。

2)熒光燈。熒光燈使用電流激勵處于氬氣或氖氣中的汞蒸汽而產生短波紫外光，接著紫外光引起鍍在燈管上的磷發(fā)光，產生可見光。熒光燈效率為40%。也就是說，產生相同光強的熒光燈，其使用的功率和產生的熱量分別為白熾燈的四分之一和六分之一。然而，在多數的水下應用中，熒光燈的每體積輸出流明數無法和其他燈相比，所以其作為水下光源應用較少。

3)高強度氣體放電燈(HMI/HID燈)。HMI 是一種電弧放電燈，其電弧處于濃度較高的汞蒸汽和稀土鹵化物蒸汽中，具有類似日光燈的色溫，在5 600 K 左右。HMI 產生的燈光具有高色溫(較長的波長)，穿透性好，能在較廣的區(qū)域提供更好的真彩色照明，是一種理想的水下物體攝像照明光源。HID燈主要包括高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈，其通過氣體電離發(fā)光，啟動時超高壓擊穿電離的稀有氣體，形成功率回路，具有亮度高、照射范圍遠、耗能少等優(yōu)點。深海運載裝備多使用金屬鹵化物燈，其光效可達130 lm/W，顯色指數可達90以上，色溫可由低色溫(3 000 K)至高色溫(6 000 K)，壽命可達10 000～20 000 h。但是這種照明燈啟動穩(wěn)定時間較長，需4～8 s，且再啟動時間需要間隔10～15 s，且HID等需要配備裝專用的穩(wěn)壓器，間接增加了設備體積和重量[12]。

4)半導體照明燈(LED燈)。LED燈是一種直接將電能轉換為光能的固體原件，具有體積小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，并且是低電壓工作，能與集成電路等外部電路良好結合，便于控制。LED燈的許多優(yōu)點已經超越鹵素燈，如壽命長、能源效率更高，更寬的色域，可產生更類似于日光的光線[6]。最顯著的優(yōu)點是體積較小，如6 000 m水深的LED燈重量僅為0.226 kg，尺寸僅為直徑0.081 m，長約0.152 m，卻能產生6 000 lm的光通量[13]。

深海運載裝備用水下照明燈優(yōu)缺點如表1所示。

1.2 主要照明燈產品

目前，市場上具有適用于不同海水深度的照明燈產品，但主要以國外成熟產品為主。

1)深海電力和照明公司(DEEPSEA Power&Light)產品。其產品在泰坦尼克號探險隊、俾斯麥探險隊、國家地理學會、WHOI、洛克希德公司、海洋工程公司、斯克里普斯海洋學研究所以及深潛潛水器(如阿爾文號、海崖號、杰森號、海龜號、鸚鵡螺號、Mirs I & II號、凱科號和深海6500號)中得以使用，并拍攝和制作埃德蒙號、菲茨杰拉德號、盧西塔尼亞號、鐵底音號和加拉帕戈斯群島的紀錄片，如電影《泰坦尼克號》拍攝過程使用的就是該公司的照明產品。

2)康斯伯格海事公司(KONGSBERG Maritime)產品。其生產的水下攝像設備得到較好的應用，如應用在蛟龍?zhí)栞d人潛水器、東北太平洋美國西海岸OOI海洋觀測系統(tǒng)等，同時在遙控潛水器(ROV)上也有廣泛的應用，水下照明設備并不是其主打產品，只是為其生產的水下攝像設備提供配套輔助。

表1 深海運載裝備用照明燈性能對照表

3)其他。隨著深海運載裝備的不斷開發(fā)，許多企事業(yè)單位開始水下照明設備的研發(fā)工作，并陸續(xù)推出了相應的產品。如上海交通大學、中國船舶重工集團公司第七〇二研究所、中國科學院深海科學與工程研究所、中科院自動化研究所、Guatek Technology Ocean Exploration、Global Ocean Design、Deep Ocean Exploration and Research等單位都已開發(fā)了水下照明裝備或為其主研設備配套了照明裝置，例如：應用于“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器中的上海交通大學研制的“HKY”系列HMI燈，應用于“天涯號”“海角”著陸器上中國科學院深?？茖W與工程研究所自主研發(fā)的深海光學成像系統(tǒng)，應用于“深海勇士號”載人潛水器上中國船舶重工集團公司第七〇二研究所研制的LED燈陣等[14]。

2 照明設備在深海運載裝備上的典型應用

1)中國蛟龍?zhí)栞d人潛水器(圖1)?！膀札?zhí)枴陛d人深潛器是中國首臺自主設計、自主集成研制的作業(yè)型深海載人潛水器，設計最大下潛深度為7 000 m，目前由國家深?；毓芾碇行呢撠熑粘＿\行管理。蛟龍?zhí)栒彰飨到y(tǒng)包括17盞水下照明燈，其中包括1盞石英鹵素燈，4盞HMI燈，2盞HID燈，10盞LED燈，通過多類型照明設備的組合使用，實現(xiàn)水下良好的照明和成像效果。照明設備主要技術指標如表2所示。蛟龍?zhí)栒彰髟O備亮燈效果如圖2所示。

圖1 蛟龍?zhí)栞d人潛水器Fig.1 Submersible “JIAOLONG”

2)美國阿爾文號載人潛水器(Alvin)。阿爾文”號載人深潛器是目前世界上著名的深?？疾旃ぞ撸沼谖槠澔魻柡Ｑ笱芯克?(WHOI)。它是 20 世紀 60 年代初根據美國明尼蘇達州通用食品公司(General Mills)的一位機械師哈羅德 (Harold Froehlich) 的設計而建造的。升級后阿爾文有12路照明設備，其中包含10盞LED燈，它的效率是之前用的燈泡的五倍，使用時間是之前的四倍(可用五年以上)，每盞LED燈都可以進行精確調節(jié)，還有2盞向下照射的觀察用照明燈，同時還有1盞用于定位和應急求生的頻閃燈，1套用于光學測距的激光設備[15]。

表2 蛟龍?zhí)栒彰髟O備性能對照表

圖2 蛟龍?zhí)朙ED燈工作狀態(tài)Fig.2 LED lamp working state of submersible “JIAOLONG”

3)法國“鸚鵡螺”號載人潛水器。法國1985年研制成的“鸚鵡螺”號載人潛水器最大下潛深度可達6 000 m，活動范圍可以遍及全球海域的97%。其照明設備主要包括650 W的碘泛光燈2個，400 W的HMI泛光燈5個，還用2套為攝像設備所配套的300/600J的閃光燈。

4)俄羅斯“和平號”(MIR-Ⅰ/Ⅱ) 載人潛水器。6 000 m級的MIR系列載人潛水器(MIR-1和MIR-2)，由芬蘭公司的子公司勞馬-雷波拉的海洋公司設計和建造，俄羅斯科學院海洋研究所(he Russian Academy of Sciences’s Shirshov Institute of Oceanology)的建設者和工程師進行監(jiān)管，現(xiàn)在由俄羅斯科學院進行操控。1991年為了配合泰坦尼克號殘骸的拍攝，對照明系統(tǒng)進行了升級改進，加裝了可以折疊展開的照明燈架，進一步提升了照明效果，最多時和平號載人潛水器配備了8盞功率為1 200 W DEEPSEA Power&Light公司生產的HMI燈，2盞LED燈和2盞石英鹵素燈。

5)日本“深海6500”號載人潛水器?！吧詈?500”號載人潛水器建造于1989年，設計深度6 500 m，曾下潛至6 527 m深的海底，現(xiàn)在由日本海事科學技術中心(Japan agency for marine-earth science and technology,JAMSTEC)進行運行?！吧詈?500”配備的燈光是汽車燈照明度的3～4倍。在沒有懸浮物質的海水中，每一個燈光可以照見深潛器周圍10 m的范圍，其主要包括2盞左右觀察窗下部的照明燈，2盞搜索燈，以及1盞為高清攝像設備匹配的高強度照明燈[16]。

6)中國“深海勇士”號載人潛水器(圖3)?！吧詈Ｓ率俊碧栞d人潛水器是中國第二臺深海載人潛水器，它的作業(yè)能力達到水下4 500 m，國產化率達到95%以上，目前由中科院深?？茖W與工程研究所運行管理。其照明設備全部為國產，主要是由中船重工第七〇二研究所及上海交通大學研制，其包含12盞300 W的LED燈陣，6盞400 W的HMI燈及一盞120 W的LED燈。

圖3 “深海勇士”號載人潛水器Fig.3 Submersible “SHEN HAI YONG SHI”

3 總結

從現(xiàn)有的關于深海照明燈的應用情況來看，水下尤其是深海照明燈因為受應用范圍小、抗壓、散熱、密封、光源分析、聚光設計等因素影響，其研制及實驗成本較高，多數深海運載裝備依舊選擇進口國外成熟產品。但隨著像蛟龍?zhí)栞d人潛水器等深海運載裝備的成功應用，國內許多企業(yè)及科研機構開始自主研發(fā)水下照明設備并陸續(xù)應用在深海運載裝備上。

此外，在考慮水下照明設備的照射范圍及距離的基礎上，如何配合水下攝像設備取得較好的成像效果也成為水下照明設備研發(fā)的主要技術難點。LED燈因其壽命長、能效高、色域寬及工作電壓低等優(yōu)勢，將會在深海運載裝備照明中得到越來越多的應用。