Полупроводниковые излучатели для приборов подводного видения

В настоящее время приборы подводного видения (ППВ) приобрели очень широкое распространение. Об их характеристиках и применении уже сообщалось в работе [1]. ППВ 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, подводной охоты, дайвинга и др.

Наблюдение под водой в значительной степени затруднено из-за того, что оптические свойства воды сильно отличаются от свойств воздуха. Прозрачность воды примерно в тысячу 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, на Черном море из-за наличия трупных останков) [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. 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. При этом ослабление света происходит в основном за счет рассеяния. С изменением глубины погружения происходит и значительное изменение освещенности. При этом закрывание солнца 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. Однако на небольших дальностях (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).

Рис. 1. Ослабление излучения в морской воде как функция длины волны для областей спектра:
1 — ультрафиолетовая,
2 — видимая,
3 — инфракрасная)

В зависимости от мутности среды максимум спектральной чувствительности воды и, соответственно, спектрального распределения освещенности находится в пределах 470–580 нм. Это и определяет оптимальный спектральный диапазон работы подводных приборов ночного видения (ПНВ) и телевизионных (ТВ) систем.

Как показано выше, абсолютное ослабление естественного излучения водной средой на глубине 15 м составляет от нескольких раз до двух порядков в зависимости от состояния среды. Поэтому работа ПНВ и ТВ-систем в пассивном режиме (без подсвета) возможна при естественной освещенности на поверхности моря свыше 0,1 лк, т. е. в сумерки. В ночное время требуется активный режим работы (искусственный подсвет). При работе ПНВ или ТВ-систем в традиционном активно-непрерывном режиме дальность видения зависит не только от мощности источника подсвета и углового распределения силы света, но и от расположения осветителя по отношению к ПНВ или ТВ-системе. Достижение максимального контраста в изображении достигается разнесением осветителя и ПНВ (ТВ-системы) по фронту (увеличением базы), т. к. при этом уменьшается влияние световой дымки.

Для процесса 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, имел место 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 рассеянии света. В связи с этим в ПНВ полезно применение поляризационных фильтров. Они могут в значительной степени подавить рассеянный свет, однако по эффективности не сравнимы с разнесением по фронту осветителя приемной части прибора наблюдения либо с использованием активно-импульсного режима работы [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].

Несмотря на указанный выше оптимальный спектральный диапазон для работы ППВ, при наблюдении под водой 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 др. могут быть использованы светодиодные фонари на базе светодиодов белого цвета свечения. Их основные типичные параметры даны в работах [2, 3], а также представлены в таблице 1.

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 [4]. Основные параметры таких фонарей представлены в таблице 2.

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. Любой подводный фонарь обязательно, во избежание потери, экипируется 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 периода времени. Они, как правило, обеспечивают больший, более равномерный уровень света, но в течение короткого периода времени. Также следует учесть, что мощный аккумулятор требует длительной зарядки. Как только их зарядка в основном использована, свет, который они обеспечивают, стремительно угасает. Фонари, работающие на не перезаряжаемых 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. На рис. 2 показан подводный прожектор серии ПП-2-СД на основе многоэлементных светодиодных излучателей.

Рис. 2. Подводный прожектор серии ПП-2-СД

Для реализации возможностей оптимального рабочего спектрального диапазона для подвод­ного видения фонари могут быть использованы на базе светодиодов зеленого, реже — голубого цвета свечения. Для работы в мутной воде могут быть использованы светодиодные фонари желтого цвета свечения. Основные параметры типичных светодиодов указанных цветов свечения представлены в таблице 3, а осветителей на их основе для приборов подводного видения — в таблице 4.

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, является 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 — светодиод 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 последние годы практически все новые разработки лазеров и лазерных систем связаны с использованием накачки от полупроводниковых лазерных излучателей [9]. В современной лазерной технике широко используются материалы, легированные ионами неодима (Nd), например иттрий-алюминиевый гранат YAG:Nd, имеющий уникальное сочетание физико-химических и спектрально-люминесцентных свойств и отработанной технологии производства этого кристалла [9]. Однако особенности накачки полупроводниковыми излучателями, такие как возможность концентрации оптической мощности в ограниченных объемах и малые плотности тепловыделения в активном материале, открывают широкую возможность использования других лазерных материалов, которые не могли применяться в лазерах с ламповой накачкой. Сегодня наряду с кристаллами YAG:Nd в таких лазерах используются ванадаты иттрия YVO4:Nd или гадолиния GdVO4:Nd, лантан-скандиевый борат LSB:Nd, гадолиний-галлиевый гранат GGG:Nd и кристаллы фторидов — YLiF4:Nd [9].

Наиболее широкое применение в приборах подводного видения нашли твердотельные лазеры на основе активного элемента YAG:Nd с накачкой полупроводниковыми излучателями с зеленым цветом излучения. Использование в сочетании с твердотельными лазерами нелинейных оптических кристаллов позволяет в принципе работать в зеленой, голубой и желтой области спектра. В связи с этим появились лазерные модули, включающие в себя полупроводниковый лазерный излучатель, активную среду и нелинейный кристалл в едином корпусе. Такой модуль может быть вмонтирован в лазерный целеуказатель или лазерный осветитель, которые включают в себя также источник питания, оптику с постоянным или регулируемым фокусным расстоянием, первичный и вторичный источники питания и корпусное оформление.

К типичным моделям лазерных модулей следует отнести изделия фирмы ОАО НПП «Инжект» ILTN-20, ILTN-400 с длиной волны 531 нм, напряжением питания 3 В, напряжением питания термохолодильника 3,7 В и диапазоном рабочих температур +10…+45  С [10]. Модуль ILTN-2001 имеет стекловолоконный выход излучения для его вывода из внутренних полостей корпуса лазерного прибора или комплекса. Модель ILTN-4001 имеет стеклянное выходное окно и угол расходимости излучения 6 мрад. Модули ILTN-2001 и ILTN-4001 имеют соответственно мощность излучения 20 и 50–100 мВт, ток накачки 2,5 и 1,1–2,5 А, ток питания термохолодильника 3,6 и 1,1–3,6 А. Представляют интерес также лазерные модули фирмы ООО «Лазерные системы» [11]. Основные параметры типичных лазерных модулей приведены в таблице 5.

Примечания: l_max — длина волны излучения в максимуме интенсивности; Р — мощность излучения; 2q_0,5 — угол расходимости излучения на уровне половинной его интенсивности; U — напряжение питания в прямом направлении; I_пр — ток питания в прямом направлении рабочий.

Лазерные целеуказатели могут быть использованы для создания точечного пятна подсвета или пятна подсвета в виде креста, линии и др. Это необходимо для подводных разметочных и измерительных работ, для создания подводных лазерных прицельных комплексов по типу наземных [1]. Лазерный генератор линии Tritech SeaStripe [12] создает тонкую высококонтрастную линию подсвета, четко показывающую профиль подсвечиваемого объекта и хорошо наблюдаемую на экране ТВ-монитора. Лазерный генератор линии имеет угол подсвета в воде 64°, массу в воздухе 1,7 кг (в воде — 0,9 кг), глубину погружения 4000 м и питание от напряжения 11–26 В.

Для работы под водой на значительных дальностях (порядка 100–150 м) наиболее целесообразно использовать лазерные осветители на основе твердотельных лазеров с накачкой полупроводниковыми лазерными излучателями.

Лазерные осветители, работающие в непрерывном режиме, могут быть использованы для подсвета объектов наблюдения при совместной работе с подводными ТВ-камерами.

Импульсные лазерные осветители могут быть использованы для работы в составе активно-импульсных ТВ-приборов подводного видения для наблюдения при пониженной прозрачности водной среды [1].

Рис. 3. Активно-импульсный ТВ-прибор LSV-W:
1 — ТВ-камера,
2 — ТВ-монитор

Для работы в мутной воде с целью подавления излучения обратного рассеяния используются подводные активно-импульсные ТВ-системы [1]. Для их построения используются для целей подсвета лазерные осветители на базе твердотельных лазеров с накачкой полупроводниковыми лазерными излучателями. Характерным примером такой системы может служить лазерная система подводного видения LSV-W фирмы НПП «ТУРН» (рис. 3) [14]. Она предназначена для наблюдения при условии ее размещения на исследовательских подводных аппаратах. По сравнению с традиционными ТВ-системами данный прибор обеспечивает увеличение дальности видения в шесть раз, подавляет излучение обратного рассеяния и позволяет наблюдать в мутной воде. Прибор состоит из оптико-электронного блока, лазера подсвета, ТВ-монитора и управляющего блока. Первые два блока устанавливаются на подводной части судна, ТВ-монитор и управляющий блок — на надводной части судна или на надводном пункте наблюдения. Основные параметры прибора приведены в таблице 6.

Для работы под водой необходимы водолазные маски и шлемы. Современные водолазные маски имеют встроенную ТВ-камеру и могут быть дополнительно оснащены светодиодными фонарями. К последним, в частности, относится модель Tritech LED Lite [15]. Осветитель выполнен в высокопрочном стальном корпусе, имеет световой поток >300 лм и Т_цв = 5500 К, выдерживает глубину погружения 4000 м, имеет массу 410 г, габариты Ш40×119 мм, работает от напряжения 12–48 В при энергопотреблении до 12 Вт. Современные маски для дайвинга Easy Drive модели Lic 304, Lic 325 [16, 17] имеют встроенные ТВ-камеры с 8–12 Мпикс, жидкокристаллическим дисплеем, объемом дополнительной памяти 32 Гбайт, продолжительность видеозаписи 960–1900 мин., выдерживают глубину погружения 5–40 м, имеют питание от двух или четырех батарей АА-типа [16, 17]. Новые водолазные шлемы, например СВУ-5 (рис. 4) [15], имеют возможность установки на них как ТВ-камеры, так и нашлемного осветителя средней мощности для местного и общего освещения в воздухе и под водой.

Рис. 4. Водолазный шлем СВУ-5 со светодиодным светильником СП-5-СД

Основные параметры подводных ТВ-камер приведены в таблице 7.

Примечания: 2q_0,5 — угол расходимости излучения на уровне половинной его интенсивности; U_пр — напряжение питания;
Р_э — энергопотребление.

Портативная универсальная ТВ-камера «РПТК-М» (рис. 5) [15] предназначена для видеосъемки в соленой/пресной воде с передачей изображения на поверхность. ТВ-камера может быть в двух исполнениях: ручная с устройством крепления, рукояткой, со светодиодным осветителем СП-5-СД, и шлемная передающая с установкой на полнолицевую маску и на водолазный шлем. Цифровой водолазный видеокомплекс Bowtech BP-CVIS [15] предназначен для видеодокументирования обследовательских и подводно-технических работ, выполняемых водолазами в условиях нормальной и пониженной прозрачности воды: при обследовании подводной части корпусов судов, трубопроводов, подводных гидротехнических сооружений и др. В водонепроницаемом надводном контейнере «Пеликан» находятся питание, панель управления, цифровой видеомагнитофон стандарта Digital Ui8 или MiniDV для высококачественной записи и воспроизведения цифрового изображения. В комплексе используется либо цветная, либо черно-белая ТВ-камера. Освещение подводных объектов осуществляется с помощью регулируемого по мощности осветителя. Дополнительный осветитель может быть установлен на шлеме водолаза.

Рис. 5. Подводная ТВ-камера РПТК-М со светодиодным осветителем

Среди больших ТВ-камер в условиях низкой освещенности и плохой видимости наилучшие результаты показывает черно-белая ТВ-камера Tritech Tornado [15]. Она использует специальный акриловый иллюминатор для уменьшения потерь на отражение. Подводная измерительная ТВ-камера Tritech Typhon VMS [15] позволяет измерять размеры отснятых объектов и расстояние до них при постобработке видеоматериалов. ТВ-камера оборудована пятью лазерными целеуказателями, которые дают хорошо видимые метки. Специальная программа VMS позволяет пересчитывать размеры объекта на изображении. Изменение фокусного расстояния объектива ТВ-камеры осуществляется по аналоговому каналу или через RS232. Специально подобранные материал иллюминатора и его конструкция компенсируют искажения размеров объектов наблюдения и хроматическую аберрацию объектива. Такой же иллюминатор используется для ТВ-камер Tritech Osprey, Tritech Super Seasy (со встроенным светодиодным осветителем) и Tritech Typhon VMS с автофокусом и изменением масштаба изображения 22:1 [15]. Представляет также интерес ТВ-камера Tritech ManipCam 4000 со встроенными в ее корпус светодиодными осветителями. ТВ-камера используется совместно с подводными манипуляторами НПА рабочего класса. Tritech MD4000 служит для съемок на близких дистанциях. Встроенные светодиодные осветители обеспечивают достаточный уровень освещения. ТВ-камера использует ПЗС-матрицу формата 1/3» с числом пикселей 768×494 при разрешении по горизонтали 570 ТВ линий и минимальной освещенности 0,1 лк и отношении сигнал/шум 50 дБ. Максимальная глубина погружения устройства 2000 м, напряжение питания 16,8 В при токе 8,2 А, емкость жесткого диска 30 Гбайт, время непрерывной работы 6 ч. Автономная видеозаписывающая система Tritech SeaСorder [15] предназначена в основном для наблюдения за забрасыванием и выборкой рыболовных сетей.

Таким образом, для техники подводного видения достаточно широко используются как лазерные, так и полупроводниковые излучатели, обеспечивая широкий диапазон подводных работ различного типа.