Применение светодиодных фонарей для подводной охоты и дайвинга

В настоящее время светодиоды (СД) нашли широкое применение для создания фонарей, предназначенных для подводной охоты и дайвинга. [1, 2]. Такие СД-фонари используются для поиска затонувших кораблей, подводных строительно-монтажных, ремонтных и аварийно-спасательных работ, для проведения спецопераций, исследований континентального шельфа, разведки подводных полезных ископаемых, обнаружения косяков рыб, районов повышенной биопродуктивности, для подводного экологического контроля и в иных целях.

Наблюдение под водой в значительной степени затруднено из-за того, что оптические свойства воды сильно отличаются от свойств воздуха. Прозрачность воды примерно в 1000 раз хуже, чем у воздушной среды. Прозрачность вод различных природных бассейнов зависит главным образом от количества взвешенных в воде частиц, содержания растворенных веществ и от сезонных биологических изменений, связанных с развитием планктонных организмов. Если в удаленных от берега центральных частях морских бассейнов прозрачность вод более стабильна, то в прибрежной полосе она подвержена широким сезонным изменениям и зависит от стока рек, наличия волнения и характера донных отложений [1].

Прозрачность воды меняется с глубиной. Обычно более мутная вода бывает в поверхностных слоях воды, более прозрачная — на глубине. Однако бывает и наоборот. Происходит это из-за наличия сильного придонного течения, которое взмучивает илистый грунт и уменьшает видимость. Это возможно также из-за оползней с крупных скалистых гребней на дне океана или же из-за насыщения воды на больших глубинах сероводородом (как, например, в Черном море из-за наличия трупных останков) [1].

Поглощение водой монохроматического светового потока, образующего пучок параллельных лучей, определяется по показательному закону:

Ф_k = Ф_о 10^—kx ,           (1)

где Ф_k — световой поток, пропущенный слоем воды; Ф_о — входящий световой поток монохроматического света; k — показатель поглощения слоя воды, м^–1.

Кроме поглощения, в воде происходит интенсивное рассеяние света. Оно зависит от прозрачности воды и от длины волны света. Вследствие поглощения и рассеяния света в воде происходит его ослабление. Из-за наличия рассеяния пучок параллельных световых лучей перераспределяется по некоторой кривой, называемой индикатрисой рассеяния. Рассеяние вперед в сотни и тысячи раз выше, чем рассеяние назад [1]. Этим объясняется вытянутость индикатрис. Однако доля и рассеянного назад света также весьма велика. Рассеянный свет создает дымку, маскирующую наблюдаемые объекты и снижающую контраст в их изображении. Обилие в воде рассеянного света создает мягкие картины, лишенные густых теней и поэтому обладающие малым контрастом.

Рассеяние света определяется также по показательному закону:

Ф_s = Ф_о 10^—sx,               (2)

где Ф_s — световой поток, пропущенный рассеивающим слоем воды; s — показатель рассеяния света, зависящий от числа взвешенных частиц в единице объема воды и от размера этих частиц; х — толщина слоя воды; Ф_о — входящий поток монохроматического света.

При этом:

s = с l^—ν,            (3)

где с — постоянный коэффициент; l — длина волны; ν — показатель степени, зависящий от радиуса рассеивающих частиц.

Освещенность поверхности воды зависит от времени суток, а в дневных условиях — от высоты солнца над горизонтом. Соответственно, и освещенность в море на разных глубинах зависит от этих факторов. Причем ослабление света происходит в основном за счет рассеяния. С изменением глубины погружения происходит и значительное изменение освещенности, к тому же солнце, закрытое даже небольшим облачком, может изменить освещенность на поверхности моря в 2–10 раз [1].

Вода имеет различный коэффициент ослабления для различных длин волн. Она лучше всего пропускает синие или зеленые лучи (в мутной воде — желтые), сильно поглощает красные и особенно ИК-лучи. Спектральные характеристики воды приведены на рис. 1.

Рис. 1. Кривая ослабления излучения в морской воде как функция длины волны для областей спектра:
1 — ультрафиолетовой;
2 — видимой;
3 — инфракрасной

Однако на небольших глубинах (порядка нескольких метров) возможность восприятия всех цветов в пределах видимой области спектра сохраняется. Поэтому возможно применение осветителей белого цвета свечения при непосредственном наблюдении под водой (например, для дайвинга и подводной охоты).

Ослабление света водой определяется по показательному закону:

Ф_ε = Ф_о 10^—εх,           (4)

где Ф_ε — монохроматический поток, прошедший через слой воды; ε — показатель ослабления; х — толщина слоя воды.

Минимальное значение ε составляет 0,01 м^-1, однако резко возрастает к границам спектра. Прозрачность характеризуется коэффициентом пропускания света толщей воды, равной 1 м:

Q = Ф_ε Ф_о^-1 10^—εх.        (5)

В зависимости от мутности среды максимум спектральной чувствительности воды и, соответственно, спектрального распределения освещенности находится в пределах 470–580 нм.

На рис. 2 представлен график кривой поглощения для оптически чистой воды: k — показатель поглощения; s — показатель рассеяния; ε — показатель ослабления. На рис. 3 представлены показатели: k, s, ε для естественного водоема. На рис. 4 дана спектральная прозрачность предельно чистой воды в сравнении с различной природной водой. На рис. 5 приведена схема отражения и преломления луча света от водной поверхности. На рис. 6 представлен график зависимости пропускания светового потока от глубины, м. На рис. 7 показан график ослабления освещенности, зависящей от длины волны света при пути света в воде 3 м.

Рис. 2. График ослабления света для оптически чистой воды:
k — показатель поглощения;
s — показатель рассеяния;
ε — показатель ослабления

Рис. 3. Показатели k, s, ε для естественного водоема

Рис. 4. Спектральная прозрачность предельно чистой воды в сравнении с различной природной водой.

Рис. 5. Схема отражения и преломления луча света относительно водной поверхности:
i₁ — угол падения светового луча на поверхности воды;
i₂ — угол отражения;
i₁^‘ — угол преломления светового луча при прохождении через водную поверхность, где n₁ = 1 — показатель преломления для воздуха, _n2 = 1,337 — показатель преломления для водной среды

Рис. 6. График зависимости пропускания светового потока от глубины (в м):
1 — океанская вода высокой прозрачности;
2 — океанская вода средней прозрачности;
3 — прибрежная вода средней прозрачности;
4 — мутная вода

Рис. 7. График ослабления освещенности, зависящей от длины волны света при его пути в воде 3 м

Абсолютное ослабление естественного излучения водной средой на глубине 15 м составляет от нескольких раз до двух порядков в зависимости от состояния среды. Поэтому работа без подсвета возможна при естественной освещенности на поверхности моря свыше 0,1 лк, то есть в сумерки. В ночное время требуется активный режим работы (искусственный подсвет). При этом достижение максимального контраста в изображении достигается разнесением фонаря и глазами пловца по фронту (увеличением базы), так как при этом уменьшается влияние световой дымки.

В процессе подводного видения большую роль играет неоднородность показателя преломления воды. Его изменения зависят от колебаний температуры и солености воды. Это вызывает изменения ее плотности и, соответственно, показателя преломления. Преломление света на границе двух водных масс с различной температурой из-за возникновения волн и завихрений носит хаотический характер. Это может привести к сильному искажению хода лучей и, соответственно, формы наблюдаемого объекта. Для обеспечения минимальных искажений необходимо, чтобы в направлении, перпендикулярном линии визирования, был минимальный температурный градиент. Ясно, что это условие далеко не всегда выполнимо. Поэтому для исключения неоднородностей во времени необходим импульсный режим работы прибора наблюдения. При этом уменьшается общая экспозиция за счет подавления света, рассеянного неоднородностями.

В водной среде происходит частичная поляризация света не только при отражении, но и при его рассеянии. В связи с этим полезно применение поляризационных фильтров. Они могут в значительной степени подавить рассеянный свет, однако по эффективности не сравнимы с разнесением по фронту фонаря и глаз пловца [1]. Тем не менее применение поляризационных фильтров, по одним данным, позволяет повысить дальность подводного видения на ~10%, а по другим — за счет подавления рассеянного света контраст может увеличиться в 3–16 раз [1].

На практике прозрачность воды оценивается по глубине видимости белого диска диаметром 300 мм. Глубина видимости диска определяется как сумма двух измерений (глубины исчезновения диска при погружении и глубины появления диска при его подъеме), разделенная пополам.

При этом Z — глубина видимости белого диска. Она зависит от ослабления освещенности (рассеяния и поглощения света водой). Для приближенных расчетов и определения показателя ослабления можно воспользоваться формулой Гершуна:

Ε = 3,5 Z^-1.         (6)

Однако надо помнить, что для различных водоемов коэффициент меняется. По замерам Аткинса и Грехема, он равен 2,2.

Видимость белого диска для природных вод колеблется от нескольких десятков метров до 70 м. Увеличение видимости белого диска возрастает при удалении от материкового берега.

Несмотря на указанный выше оптимальный спектральный диапазон для работы под водой, при подводном наблюдении на небольших дальностях (порядка нескольких метров) непосредственно невооруженным глазом достаточно хорошо передаются все цвета видимой области спектра. В связи с этим для дайвинга, подводной охоты и т. д. могут быть использованы СД-фонари на базе СД белого цвета свечения (рис. 8). Их основные типичные параметры даны в работах [2, 3], а также представлены в таблице 1.

Рис. 8. Типичная спектральная зависимость светового потока СД различных моделей для подводных фонарей:
а) ХНР70.02 — кривая красного цвета;
б) ХНР50.02 — кривая синего цвета

Примечания. 2q_0,5 — угол расходимости излучения на уровне половинной его интенсивности — для всех моделей составляет 120°, кроме У-345 Бл-71, для которой 2q_0,5 = 4 ±11; I_пр — ток в прямом направлении; U_пр — напряжение питания в прямом направлении; Т_цв — цветовая температура.

На основе таких светодиодов могут быть выполнены фонари для подводного применения, в частности для дайвинга (рис. 9) [4]. Основные параметры таких фонарей представлены в таблице 2.

Рис. 9. Применение СД-фонарей:
а) для дайвинга;
б) для подводной охоты

Подводные фонари являются необходимой техникой при ночных погружениях, при плавании в отсеках затонувших кораблей, в пещерах и для подсветки при видеос­ъемке [4]. Для обеспечения безопасности, согласно общепринятым правилам, а также стандартам PADI, аквалангисты берут с собой три фонаря: основной, запасной и проблесковый [4].

Фонари можно использовать и при обычных дневных погружениях, если нужно увидеть действительный цвет рассматриваемого объекта. Во избежание потери любой подводный фонарь обязательно снабжен шнуром или каким-либо механизмом крепления к руке или к какому-либо элементу снаряжения. Фонари малой мощности и небольшого размера используются в качестве запасных при ночных погружениях. Мощные фонари, работающие на аккумуляторных батареях, нужны для ночных или пещерных погружений, при заходах внутрь затонувших объектов. Аккумуляторные батареи дороже обычных, но дешевле в эксплуатации в течение длительного времени. Они, как правило, обеспечивают больший, более равномерный уровень света, но в течение короткого периода. Также следует учесть, что мощный аккумулятор требует длительной зарядки. Как только зарядка фонарей в основном использована, свет, который они обеспечивают, стремительно угасает. Фонари, работающие на неперезаряжаемых батареях, действуют дольше, но по мере истощения их заряда свет, который они обеспечивают, уменьшается постепенно. Если необходимо обеспечивать освещение подводной видеосъемки, то нужен сильный аккумуляторный фонарь с креплением для фиксации на видеокамере. Для ночного погружения водолазы также применяют мини-фонари, использующие активированный химический огонь, или с мигающим светом, как проблесковый маячок, прикрепляемый к первой ступени регулятора или к компенсатору плавучести [4].

Характерным примером светодиодного фонаря для дайвинга является модель Led Lenser D14 [5]. Корпус яркого цвета виден достаточно далеко, если фонарь уронили. Включать и выключать фонарь очень удобно даже в перчатках благодаря магнитной кнопке. Фонарь работает от четырех пальчиковых батарей. Как и во всех фонарях Led Lenser, оптическая система D14 формирует ровный пучок света без темных и светлых пятен. Фонарь удобен для использования в перчатках, имеет петлю для фиксации на кисти руки. Корпус изготавливается из высоко­прочного авиационного алюминия, а линзы — из специального пластика, поэтому фонарь устойчив к перепадам температуры и остается прозрачным на протяжении всего срока эксплуатации. Все электрические контакты позолочены — они не окисляются при высокой влажности или просто со временем. Представляют интерес сигнально-стробоскопический фонарь Princeton Tec AQUA STROBE ROCKET RED [6] и сигнально-осветительный фонарь Princeton Tec ECO FLARE ROCKET RED [7]. Глубина погружения составляет 100 м. Для первого фонаря F = 1,67 Гц, напряжение питания 1,5 В, масса 96 г, время непрерывной работы 8 ч. Для второго фонаря используются белый и красный светодиоды, световой поток 10 лм, напряжение питания 3 В, масса 42 г, время работы 500 ч.

Для реализации возможностей оптимального рабочего спектрального диапазона для подводного видения фонари могут быть использованы на базе СД зеленого, реже — голубого цвета свечения. Для работы в мутной воде могут быть использованы СД-фонари желтого цвета свечения. Основные параметры типичных СД указанных цветов свечения представлены в таблице 3, а фонарей на их основе для подводного видения — в таблице 4. На рис. 10–15 показаны типичные фонари для подводной охоты и дайвинга, а также особенности их применения.

Рис. 11. Малогабаритные удерживаемые в руке СД подводные фонари для дайверов:
а) «Сарган Филин 220» для подводного ориентирования;
б) «Сарган Филин» подводный;
в) Sofirn S8104 6000 лм;
г) ручная подвеска для крепления СД-фонаря на кисти руки

Рис. 12. СД подводные фонари для дайверов и для подводной охоты:
а) D170-CREE-XHP 70-4000;
б) «Сарган Беркут», 700 лм;
в) «Сарган Ирбис», 2100 лм

Рис. 13. Мощные СД подводные фонари для дайвинга:
а) Light and Motion Sola Dive 2500 S.F. Diving;
б) Light and Motion Sola 1200 S.F. Dive Light;
в) Powerful-led-diving-flashlight-6000 lumens-underwater

Рис. 14. Подводные ружья с СД подводными фонарями:
а) «Оса-600» с СД-фонарем HunterOroLight-3;
б) комплект для подводной охоты с ружьем «Сарган» и СД-фонарем;
в) крепление СД-фонаря Patriot BH-fI08 на подводном ружье «Сарган»;
г) универсальное крепление СД подводного фонаря на ружье «Сарган»

Рис. 15. Внешний вид СД подводных фонарей в подводном положении:
а) Underwater 6000 LM T6 LED;
б) NEW Waterproof 3x T6 LED Sauba Diving Flashlight;
в) Nova XM-L200

Примечания. 1. З — зеленый цвет свечения, Ж — желтый, С — синий, С-З — сине-зеленый. 2. l_max — длина волны излучения в максимуме интенсивности, 2q_0,5 — угол расходимости излучения на уровне половинной его интенсивности, U_пр — напряжение питания в прямом направлении, I_пр — ток питания в прямом направлении рабочий.

Характерным примером подводного аккумуляторного светодиодного фонаря, который может работать в белой и сине-зеленой области спектра, служит модель «Экотон-8» фирмы «Экотон» [8]. Фонарь предназначен для подводной работы в соленых и пресных водоемах на морских и речных судах, для дайвинга, спортивной подводной охоты и для боевых пловцов. Фонарь имеет взрывозащищенное исполнение и герметичную неразборную оболочку, выполненную из ударопрочного материала. Источник света — СД белого или сине-зеленого свечения (по заказу). Для формирования луча используется линза из поликарбоната, изготовленная методом полимеризации с добавлением в расплавленный поликарбонат специальных добавок-отвердителей. Источник питания — герметичная Li-ion-батарея. Включение фонаря осуществляется поворотным кольцом со встроенным магнитом и герконом. Диапазон рабочих температур –20…+40 °С. Подзарядка аккумуляторной батареи производится с помощью зарядных адаптеров от сети ~220 В/50 Гц или бортового питания 12/24 В. Для более надежной герметичности резиновой прокладки рекомендуется использовать силиконовую смазку (типа Special silicone grease TECHNISUB). Данный тип смазки применяется при каждом погружении в воду.

В таблице 5 представлены основные параметры СД подводных фонарей фирмы ARCHON, Китай, а в таблице 6 указаны основные параметры СД подводных фонарей других фирм.

Примечание. Ф — световой поток, U — напряжение питания, ударостойкость: выдерживает падение с высоты, например, 1 или 1,5 м. Класс защиты IPX-68.

Примечания. См. таблицу 5.

Таким образом, как мы видим, функционал подводных СД-фонарей достаточно разнообразен и позволяет применять их в различных сферах — как для подводной охоты и дайвинга, так и для широкого диапазона подводных работ различного типа.