在互联网科技时代，高新技术在实际生活、工作以及军事等各方面的应用越来越广泛，水下一直是世界各国不断努力探索的领域，水下高速摄像机的应用显得尤为重要。科学考察、水中试验不断发展，高精度、安全性能好的水下高速摄像系统是这些工作开展的前提，如何往更深、更暗的水中领域进行拓展是研究的重点，实现水下高速摄像系统的完善是攻克的难点和重点。
随着高速摄像技术的不断发展，不同类型和功能的水下摄像机不断更新，比如水下光学成像、水下成像系统、水下补光等。高分辨率、高速度、高质量、轻捷型摄像机的开发，同时水下复合型电缆以及水密接头不断优化等都给水下高速摄像系统的完善提供了更多的条件，这些利好因素不断推动水下高速摄像系统的整体完善和提升，同时也对水下高速摄像密封系统的完善提出了更高的要求。
1.水下高速摄像系统密封系统的不利环境分析
水下环境属于自然界中的特殊环境，水中存在一定的压强，尤其是深水领域容易受到水压的冲击荷载，对设备质量的强度要求较高。同时，涉水性能直接影响设备安全，电缆、接头、机器等不融水的密封防水工作是重点，需要较高耐腐蚀性、高隔水型材质来包装固定。同时，水中能见度低，对照明系统的质量依赖性比较高，同时对灯光的强度、眩光性有一定的配合联系，设备具有一定的透光性，对材质选择提出了更高的要求。同时，水下高速摄像系统在使用完后需要进行拆卸整理便于下次使用，因此对密封系统的设计上要体现其合理性，便于工作任务完成后进行回收整理。这些环境因素均是需要不断优化的主要因素，要做好水下高速摄像工作，需要对其进行充分补充。
2.水下高速摄像系统密封系统的功能和密封性能设计
2.1实现功能
水下高速摄像系统主要进行水下抓拍与摄影，捕捉水中相关视频信号，实现水中目标的监控和处理分析，因此水下高速摄像系统（见图1）需要具备如下功能。
图1 水下高速摄像系统构成
（1）摄像功能。需要对目标进行高清晰、低照度的摄像追踪，以高速频率进行捕捉，锁定目的成像进行记录与储存，智能化高速摄像机还需要具备数据处理与传送等功能。同时摄像拍摄的距离需要达到3m以上，视阀半径必须达到4m。
（2）抗压功能。需要接受一定的水中压强，在0~10MPa的情况下能够正常开展工作，机器设备不容出现破裂和坏损。
（3）远程操控。实现远距离的陆地操控，这对密封舱有一定的要求，有些设备需要在水中进行角度调整，这对密封舱的设计提出了更高的要求，因为密封舱空间控制容易受水压影响，出现密封舱的变形导致破裂，容易渗水。
2.2系统组成
水下高速摄像系统属于集合型技术产品，主要分为主体机器、照明系统、调节支架、电缆传输、陆地控制等。其中主体机器包括水下高速摄像机以及其附件产品，比如摄像机镜头、摄像机耐压壳体、耐压窗玻璃、水连接头等，还需要固定结构进行安装；照明系统包括照明灯耐压壳体、水密接头、照明灯光源一起驱动电路等；调节支架主要用于固定安装以及水下调整；电缆传输包括水下复合电缆、太网电缆、水密接头等；陆地控制主要包括各类控制单元，陆地控制主要做好电缆连接以及电阻风控，防止电路短路对设备造成损害。
2.3密封性能设计
水下高速摄像机在性能设计上要考虑到技术性能和使用环境的结合和要求，需要对承压、水密加固以及光学规律进行科学处理。
2.3.1承压壳体
水下高速摄像系统的承压壳体总体设计关乎整个系统安全性能的设计，主要包括水下高速摄像机耐压壳体设计、承压玻璃密封设计、水下连接器、摄像机内部安装设计等（见图2），其中玻璃承压光学设计尤为重要。
图2 水下高速摄像机组装示意图
2.3.2耐压壳体
耐压壳体与现代材料材质相关，对高等级耐压材质需求较大，主要体现在耐腐蚀性和抗压变形方面，在综合性价比进行壳体的选择，比如说选用不锈钢材料或高强度防腐铝合金作为耐压壳体主材料，最大耐压深度达到100m。水下高速摄像系统的壳体部分又分为前部壳体和后部壳体，前部壳体输出摄像机组，主要以光学玻璃为主，后部主要以高速摄像机和超广角镜头和水密连接为主，通过焊接进行密封处理。在水下摄像机前部通过前顶环、供应力紧固件、玻璃内外密封条进行密封，摄像机通过后部安置于耐压壳体上。
2.3.3光学性能
承压玻璃、超广角镜头与水介质等都受到光学以及光学途径的影响，因此要做好光学处理，应对不同的水域采用不同性质和形状的承压玻璃材料，提前做好预算以实现最佳效果。正常情况下一般水的光学干扰都会对水中摄像机进行干扰成像，在遇到视场角变小以及像劣质化等情况时，做好水下广角镜头是有完全必要的。
3.3.4照明性能
水下照明系统就像是水下摄像的眼睛，之间关系到水下环境的明亮程度和拍摄效果。水下照明材料的选取也直接关系到水下环境的可视化距离，一般来讲均以LED灯作为主要光源，也有采用卤素灯进行照明。水下照明壳体由前部壳体和后部壳体两部分组成，照明灯前部由前顶环、前压环、双层径向密封圈进行密封，由耐压壳体和承压光学玻璃以及照明驱动和水下连接器的密封设计组成，考虑不同等级的压强，综合考虑材料的性价比和质量。但不同的是水下照明系统根据摄影的角度和广度寻找光源的发光角度和照射角度，因此在密封条件中需要综合考虑照明灯的调节性能进行综合设计，充分考虑材质的厚度和面积带来的折射率。
2.3.5输电性能
水作为导电体与水是不相容的，做好水下电力传输是一个高强度的工作。水下高速摄影电缆选择主要爱用复合电缆和水下以太网复合电缆两种，两者作为电力输出以及网络输入充分满足使用环境的需要，需要对电缆的芯数、长度、接口进行选择，充分考虑浮力要素带来的影响，合理规划复合电缆中的参数，实际测算芯线的屏蔽和双绞等内容。水下复合电缆需要进行屏蔽、水密处理，采用复合电缆也主要考虑电缆的重量和整体密封性能，确保水下高速摄影输电正常无误。
3.结语
水下高速摄影机在科学、军事、生活领域的广泛应用，提高了其相关研究工作。密封系统一直是大家研究的主体和重点，密封系统的合理规划和构建对设备充分做好保障工作。通过对摄像机组、承压壳体、耐压壳体、光学玻璃以及电缆设备等相关涉水装备进行密封处理，提高水下高速摄像机的安全性和稳定。同时，借助现代最新合理材质进行应用，提高密封材料的抗性和耐用性，综合考虑设备可调节度，充分实现现代水下高速摄像机的功能全面和完整，满足各领域的需求。
作者：张羽
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第22期
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