一种水下光学整流罩

本公开涉及水下光学技术领域，具体涉及一种水下光学整流罩。

背景技术：

水下航行器在海洋矿物勘探，水下管道检查、搜索和救援，海洋考古等方面具有广泛的应用。随着水下航行器导航，避障和勘探的需求不断增长，前视光学相机越来越多地安装在水下航行器的前端。为了能使前视相机清晰成像，许多水下航行器前端设计成平面透明窗口，2020年俄罗斯“勇士”号无人潜航器前端即采用了平面玻璃窗口，如图1所示。然而，安装在水下航行器前端的平面透明窗口会增大水下航行器的航行阻力，增加水下航行器航行功耗，缩短水下航行器作业时间。因此，人们在尝试将光学整流罩被设计成弯曲的，减少平面光学窗口给水下航行器造成阻力的问题。这些方法通常采用可变焦距的前视光学相机，同时采用算法对图像畸变进行修正。但是，由于相机的焦距调整范围有限，对于严重虚焦的图像仍然难以清晰成像。此外，结合水体光学特性，通过复杂的光学设计研制前视光学相机的镜头可以消除由于光学整流罩造成的虚焦和像差。但是，镜头设计通常很复杂，并且前视光学相机的安装需要十分精确。此外，对于每个光学整流罩，都需要专门设计镜头，这意味着无法随意更改光学整流罩或镜头。因此，设计一种既能减少水下航行器的航行阻力又能使水下航行器的前视光学相机清晰成像的光学整流罩非常必要。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本公开提供了一种水下光学整流罩，用于至少部分解决传统平面窗口的水下航行器航行阻力大、前视光学相机难以清晰成像等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种水下光学整流罩，包括：整流罩底座7，固定在水下航行器3上；整流罩头部5，与水下航行器3的外壳在结构上共形；其中，整流罩底座7与整流罩头部5之间形成密封的整流罩腔体6，整流罩腔体6中充满有水。

进一步地，整流罩底座7设于水下航行器3中光学相机2的前方，整流罩底座7所在平面与光学相机2的光轴垂直。

进一步地，整流罩底座7与整流罩头部5固定，以保证整流罩腔体6的水密。

进一步地，整流罩腔体6中充满有水中的水包括洁净水、去离子水。

进一步地，光学整流罩4安装在水下航行器3的不同部位，包括水下航行器3的头部、中部、底部。

进一步地，整流罩底座7为透明刚性平板，整流罩头部5为透明刚性曲面。

进一步地，整流罩底座7的材质和整流罩头部5的材质为透明刚性材料，透明刚性材料包括玻璃、有机玻璃、透明陶瓷、蓝宝石玻璃。

进一步地，整流罩底座7、整流罩头部5的厚度范围与工作水深呈正相关，水下光学整流罩满足工作水深下的耐压要求。

进一步地，整流罩底座7包括至少一块透明刚性平板，每块平板均与水下航行器3固定，整流罩头部5为透明刚性曲面。

进一步地，整流罩底座7的其中一块平板设于水下航行器3中光学相机2的前方，其中一块平板所在平面与光学相机2的光轴垂直。

(三)有益效果

本公开提供的水下光学整流罩，通过采用曲面的整流罩代替现有的装有前视光学相机2的水下航行器3前端普遍安装的平面透明窗口，可以有效减小水下航行器3的航行阻力；将整流罩腔体6内全部填充洁净水或去离子水，可消除整流罩头部5外部水和整流罩腔体6内部的折射率差异，防止光学相机2虚焦及畸变，减小光学相机2的成像像差，使光学相机2清晰成像；同时光学整流罩4可以根据需求安装在水下航行器3的不同部位，使用灵活方便。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例水下航行器的照片；

图2示意性示出了根据本公开实施例水下航行器的结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例光学窗口位于水下航行器下部的结构示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例中安装在水下航行器头部的水下光学整流罩的结构示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例光学相机前视时安装在水下航行器底部的水下光学整流罩示意图；

图6示意性示出了根据本公开实施例光学相机下视时安装在水下航行器底部的水下光学整流罩示意图；

图7示意性示出了根据本公开实施例采用水下光学整流罩前后的效果示意图；

附图标记说明

1平面透明窗口2前视光学相机

3水下航行器4水下光学整流罩

5整流罩头部6整流罩腔体

7整流罩底座8成像视场。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图2、图3示意性示出了水下航行器的结构示意图，即两者都采用了平面玻璃窗口1，图2为光学相机前视的情况，图3为光学相机下视的情况，这种安装在水下航行器前端的平面透明窗口会增大水下航行器的航行阻力，增加水下航行器航行功耗，缩短水下航行器作业时间。

本公开的实施例提供了一种水下光学整流罩4，请参见图4，包括：整流罩底座7，固定在水下航行器3上；整流罩头部5，与水下航行器3的外壳在结构上共形；其中，整流罩底座7与整流罩头部5之间形成密封的整流罩腔体6，整流罩腔体6中充满有水。

光学整流罩4为一个与水下航行器3共形的透明罩，包括整流罩头部5，整流罩腔体6，整流罩底座7，整流罩头部5固定在整流罩底座7上，整流罩腔体6被整流罩头部5和整流罩底座7密封，整流罩腔体6内全部填充洁净水或去离子水，整流罩底座7固定在水下航行器3上。一方面，本公开由于采用与航行器共形的光学整流罩代替安装在水下航行器上的传统平面透明窗口，因此，能够有效减少水下航行器的航行阻力；另一方面，本公开由于充水低阻光学整流罩腔体内全部填充水，因此，可消除整流罩外部和整流罩腔体内部的折射率差异，解决光学相机虚焦问题，减小前视光学相机的成像畸变，使光学相机清晰成像。

在上述实施例的基础上，整流罩底座7设于水下航行器3中光学相机2的前方，整流罩底座7所在平面与光学相机2的光轴垂直。

光学相机2装在水下航行器3中，并位于充水低阻光学整流罩后方，光学相机2的光轴与整流罩底座7所在平面垂直，有利于光学相机清晰、无畸变成像。

在上述实施例的基础上，整流罩底座7与整流罩头部5固定，以保证整流罩腔体6的水密。

水密指水下整流罩4的腔体6浸水或充水后，其结构和相应的设备等在一定的水压作用下保持不透水的密闭性能，保证水下整流罩4的密封性，避免海水进入水下整流罩4内，改变水下整流罩4的光学性质，影响光学相机成像质量。

在上述实施例的基础上，整流罩腔体6中充满有水中的水包括洁净水、去离子水。

需要说明的是，整流罩腔体6不能使用海水是因为海水中的杂质等会对光造成衰减和散射，从而影响成像的清晰度。使用洁净水或者是去离子水既能防止光学相机2虚焦及畸变，也能减少水体衰减，使光学相机2清晰成像。

在上述实施例的基础上，光学整流罩4安装在水下航行器3的不同部位，包括水下航行器3的头部、中部、底部。

光学相机2位于水下航行器3的头部时，请参见图4，光学整流罩4相应地设置于水下航行器3的头部，并覆盖整个光学相机2视场角的范围。光学相机2位于水下航行器3的底部或中部时，请参见图5、图6，光学整流罩4适应性地与水下航行器3的舱体共形，形成一个完整的类纺锤体形，有效降低了水下航行时的阻力。本公开的光学整流罩4能较好地适配与不同形状的水下航行器，且不需要专门设计镜头，光学相机也能清晰成像。

在上述实施例的基础上，整流罩底座7为透明刚性平板、整流罩头部5为透明刚性曲面。

整流罩头部5为曲面形状，整流罩底座7为平面形状，均由透明材料制成。整流罩头部5为曲面，代替现有的透明平面窗口1，可以有效减小水下航行器的航行阻力，整流罩底座7为平面形状用于与水下航行器3固定，该水下充水低阻光学整流罩结构简单、易于操作，既能减少水下航行器的航行阻力又能使水下航行器的前视光学相机清晰成像，具有较强的实用性。

在上述实施例的基础上，整流罩底座7的材质和整流罩头部5的材质包括玻璃、有机玻璃、透明陶瓷、蓝宝石玻璃等透明刚性材料。

平板玻璃具有良好的透光性，适合与水下航行器3中的光学相机2紧密固定在一起；玻璃、有机玻璃、透明陶瓷以及蓝宝石玻璃等透明刚性材料具有一定的强度，适合承受水压。整流罩头部5主要是起到整流减阻的作用，同时保证水下光学整流罩内部的洁净水或去离子水不与整流罩外的水交换；整流罩底座7是起到水密作用，保证光学相机不与水接触。

在上述实施例的基础上，整流罩底座7、整流罩头部5的厚度范围与工作水深有关。

水下航行器3约每下潜10m，增加一个标准大气压。水下航行器3在水下承受的压力范围为1～1200个标准大气压。其中，1200个标准大气压对应约12000m。整个水下光学整流罩需满足工作水深下的耐压要求。若整流罩的厚度太薄，支撑强度比较弱，难以承受水下压强；整流罩的厚度太厚，会影响光学成像效果，引入像差和畸变。

在上述实施例的基础上，整流罩底座7包括至少一块透明刚性平板，每块平板均与水下航行器3固定，整流罩头部5为透明刚性曲面。

当光学相机2位于水下航行器3的底部(光学相机前视时)或中部(光学相机下视时)时，请参见图5、图6，为了与水下航行器3达到共形的效果，整流罩底座7可设置成由至少一块平板组成，其中一块平板设于光学相机2的前方，其他部分与非共形的其他部分紧密连接，整流罩头部5的曲面与水下航行器3的外壳在结构上共形，整流罩整体与水下航行器3固定。

在上述实施例的基础上，整流罩底座7的其中一块平板设于水下航行器3中光学相机2的前方，其中一块平板所在平面与光学相机2的光轴垂直。

整流罩底座7中至少一块平板设置于光学相机2的前方，与光学相机2的光轴垂直，有利于光学相机2清晰成像。

下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。

水下充水低阻光学整流罩4为一个与水下航行器3共形的透明刚性罩，包括整流罩头部5，整流罩腔体6，整流罩底座7，整流罩头部5固定在整流罩底座7上，整流罩腔体6被整流罩头部5和整流罩底座7密封，整流罩腔体6内全部填充水，整流罩底座7固定在水下航行器3上，光学相机2装在水下航行器3中，光学相机2的光轴与整流罩底座7所在平面垂直，整流罩头部5和整流罩底座7由透明材料制成。

本公开了进行了水下充水低阻光学整流罩采用前后的对比实验，实验结果如图7所示。实验中，整流罩底座采用圆形平板玻璃，厚度为5mm，整流罩头部采用半球形有机玻璃，厚度为5mm，内球面半径为100mm，整流罩腔体内部充满去离子水，将整流罩头部与整流罩底座固定，并保证整流罩腔体的水密，将整流罩底座固定在水下航行器前端，前视光学相机装在水下航行器中，前视光学相机的光轴与整流罩底座所在平面垂直。

装有水下充水低阻光学整流罩时，前视光学相机的成像效果如图7(b)所示，可以对usaf-1951分辨率靶清晰成像。而未采用水下充水低阻光学整流罩，即仅保留半球形有机玻璃，且无整流罩底座，前视光学相机和半球形有机玻璃间不充水，成像效果如图7(a)所示，则不能清晰成像。

本公开提出的一种水下充水低阻光学整流罩，用于代替现有的装有前视光学相机的水下航行器的平面透明窗口，以达到减少水下航行器的航行阻力的同时使水下航行器的前视光学相机清晰成像的目的。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。