“海瞳”相机在万米深海底拍摄到的沟虾。
团队研发人员正在调试“海瞳”相机。
文/图 半岛全媒体记者 徐杰
一万多米深的海底是什么样子?来自海洋国家实验室海洋观测与探测联合实验室的一个团队,历时9个月自主研发了我国首台全海深高清相机“海瞳”,共采集到了长达12小时的高清视频,在我国深海科考史上首次完成全海深的高清视屏获取。半岛记者日前采访了解到,功能优化后的“海瞳”相机计划在今年8月份进行第二次深海探索,挖掘更多海底奥秘。
重任>>
让指甲盖上站一头大象
神秘的海洋让人向往,如何获取超过万米深海底的影像,成为不少海洋科研团队攻关的方向。2016年6月份,由海洋国家实验室与中科院西安光机所联合组建的海洋观测与探测联合实验室接到了一项科研重任——自主研发全海深相机,应用到中科院深渊科考队在2017年1月进行的深海科考中。看似简单的水底拍摄相机,却具有开先河的意义,因为海水的折射、散射不仅导致图像模糊、色彩失真,巨大的水压还可能让相机瞬间破裂。
然而,一个平均年龄仅有32岁的科研团队,却出色地完成了这项重任。吴国俊是海洋观测与探测联合实验室的副主任,同时也是“海瞳”相机科研团队的成员之一,日前他向记者讲述了“海瞳”相机研发的始末。
吴国俊告诉记者,要研发这种全海深的相机,首先要面对的是如何解决深海环境中的抗压能力。“水下每增加10米,相当于一个大气压的压力,对11000米这样的深度相当于在每1平方厘米的面积上产生了1.1吨的压力,相当于我们指甲盖上面站了17个成年人或者一头大象。”吴国俊说,通常来说,要解决这种抗压问题有内部充油、干舱密封两种方式。
“使用内部充油这种方法,可以解决在深海环境中的内外压差,但这种办法却无法应用在海瞳相机上。”吴国俊介绍,由于海瞳相机属于精密光学仪器,内部充油会影响光学系统,因此这种办法只能舍弃。而采用干舱密封这种方法的困难也很大,因为要在海瞳相机外面加一个由舱体和窗口组成的密封机构,海底环境中的巨大压力全部要由密封机构来承受。对于这种方法,在国内没有可以参考的先例,检索资料虽然发现国外有相关的技术,但也是封锁的。
攻关>>
“打碎”设计,深挖细节
吴国俊介绍,组成密封机构的窗口很硬,但密封圈又很软,不同材料在大压力下变形情况复杂,仿真过程困难重重。“我们通过在电脑里建立模型不断地仿真和优化,并通过仿真压力舱模拟水下一万多米的深海环境,一点一点找到了精准的设计参数。”吴国俊说,经过6个多月的自主研发后,2016年底,他们团队终于迎来了“海瞳”相机的第一次打压测试。
整个打压测试的过程持续了五个多小时,完成测试程序后,“海瞳”研发团队捞出“海瞳”相机之后发现,相机的窗口在打压过程之中出现了破裂,测试失败了。面对这个结果,吴国俊和团队的同事在一个多小时的时间里,都不知道该说什么。失落的同时也感到压力更加重大了,因为中科院深渊科考队在2017年1月就要进行深海科考,这就意味着留给团队改进的时间只有一个月了。
“我们团队请来了多位专家封闭式研讨,在李学龙所长的带领下,一个月的时间里基本上是吃住都在实验室里。”吴国俊说,他们把每一步的设计都重新“打碎”,不断地优化设计过程、工艺过程,连装配的顺序也不断尝试改进,哪怕是一个小小的螺丝。“比如说,我们把密封机构的一圈螺丝按照不同顺序和不同预紧力组装,先把所有螺丝拧一半的预紧力,然后多次循环逐渐加力,保证每一个地方在深海条件下受力更加均匀。”吴国俊说,通过深挖这种细节,一个月后,他们成功改进了“海瞳”相机并迎来了第二次打压测试。而这一次,他们成功了。这就意味着“海瞳”相机可以跟随科考船出海了。
成果>>
万米海底记录生物影像
2017年1月份,“海瞳”相机跟随中科院深渊科考队TS03航次出海科考并参加海试。整个航次过程中,“海瞳”相机有4次下潜到7000米的深海,3次下潜到超过10000米的深海,下潜最深处达10911米,并采集到了共计12小时的高清视频,在我国深海科考史上首次完成全海深的高清影像获取。
“我们在8000米水深的海底发现了通体白色的狮子鱼,并记录下了它觅食活动的影像。这是首次用国产相机发现在水下8000米有鱼类存在,是海洋生物学的重大突破。”吴国俊说,此外,他们还在超过一万米深的海底发现了沟虾等生物,与生活在8000米水深的沟虾相比,生活在万米深海底的沟虾在数量和体型上都更少、更小。“万米深的海底因为压力太大,尚没有发现鱼类的生命迹象。”吴国俊说,“海瞳”相机在深海记录的影像为海洋生物、物理海洋等学科研究提供了重要的原始数据。
进展>>
二代“海瞳”瘦身近一半
前后历时9个月的时间,“海瞳”团队完成了第一代“海瞳”相机的研发,并在深海科考中实现了成功的海试。尽管已经实现了一系列的重大突破,“海瞳”团队并没有停下研发优化的脚步,计划通过一次次的试验不断完善“海瞳”的功能。就在近日,“海瞳”团队还接到了美国夏威夷大学的邀请,想把“海瞳”相机用于合作交流。
在海洋观测与探测联合实验室里,记者见到了正在研发优化的“海瞳”相机。从外观来看,“海瞳”相机像是一个圆柱体,两端均由一圈螺丝密封。其中一端是透明的窗口,方便光线采集和传输,另一端连接着两根黑色的电缆,整个相机重十五公斤。吴国俊说,如今,他们对“海瞳”的优化主要有两个方向,一个是更加小型化,使其更方便地搭载到水下潜器上；另一个方向是功能强化,延长其工作时长、增加控制功能、方便数据传输等。
新研发的二代“海瞳”相机在体积上由原先的133毫米的直径、386毫米的长度,缩小到80毫米的直径、170毫米的长度,体积缩小了近一半。单次工作时长也由原先的10个小时延长到62个小时。“今年8月,‘海瞳’相机将进行第二次深海探索,挖掘更多海底奥秘。”吴国俊说。
[编辑: 张珍珍]
