Текст книги "Окно в подводный мир"
Автор книги: Николай Вершинский
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 3 страниц)
МОЛОКО И ЧЕРНИЛА
Читатель вправе спросить: причем тут молоко и чернила? Ведь эта книжка о телевидении под водой!
Дело в том, что оптические свойства воды приближенно напоминают свойства смеси из чернил и молока.
При погружении передающей камеры в воду характерно резкое сокращение дальности видения. Максимальная дальность видения в воде при помощи телевизионной аппаратуры составляет около 45 метров. Цифра эта относится к наблюдениям в относительно прозрачных водах Атлантического океана. Для более мутных вод многих других морских бассейнов дальность видения обычно не превосходит 15-20 метров. В морских портах, где вода особенно загрязнена, она обычно составляет не более 1,5-2 метров, а в речных портах – еще меньше.
Совершенно очевидно, что для многих применений подводного телевидения этого недостаточно. Поэтому центральной проблемой современного подводного телевидения является увеличение дальности видения. Но дело это отнюдь не легкое. Для того чтобы понять, как следует преодолевать эту трудность, нужно познакомиться с физическими особенностями распространения света в воде.
Луч света при прохождении через воду очень быстро ослабляется. Ослабление света водой настолько велико, что один метр довольно прозрачной воды Черного моря ослабляет свет примерно так же, как и слой воздуха, толщиной более километра. Уже на сравнительно небольших глубинах в морях темно. Измерения в Черном море показывают, что в полдень, когда на поверхности моря освещенность составляет около 100000 люксов, на глубине 100 метров освещенность равна всего 4 люксам. Достаточно опуститься под воду лишь на сотню метров, чтобы из сверкающего полудня попасть в сумерки. Быстрое изменение освещенности с глубиной вынуждает снабжать подводные телевизионные камеры светосильными объективами.
Ослабление света в воде зависит от прозрачности воды и вызывается совместным действием рассеяния и поглощения световых лучей.
Черные чернила являются примером водной среды, в которой ослабление света происходит главным образом за счет поглощения. При поглощении энергия света идет в основном на нагревание воды. В воде сильно поглощаются красные лучи спектра и еще более сильно – инфракрасные.
Рассеяние вызывает ослабление направленного светового потока за счет отклонения световых лучей в стороны. Рассеяние света – это главная причина, которая ограничивает видимость наблюдаемых объектов. Если бы не было рассеяния, то нужно было бы просто усилить источник света или увеличить чувствительность передающей трубки. Но рассеяние световых лучей образует световую дымку и фон, которые понижают контраст видимого предмета и как бы маскируют его. Усиление источника света тут помочь не может.
Молоко представляет собой среду, ослабляющую свет преимущественно за счет рассеяния. В абажурах и плафонах для предохранения наших глаз от слишком яркого света используются молочные стекла, сильно рассеивающие лучи света
В морской воде поглощение и рассеивание действуют вместе. Вот почему, с оптической точки зрения, воду, конечно, очень приближенно, можно рассматривать, как «смесь чернил и молока».
Вода в зависимости от состава спектра проходящего через нее света проявляет больше свойства или рассеивающей, или поглощающей среды.
Но и воды различных бассейнов обладают разными оптическими свойствами. Например, ослабление света в воде может происходить преимущественно за счет рассеяния. В этой воде как бы преобладают свойства молока над свойствами чернил. Возможен и такой случай, когда ослабление света в воде будет происходить преимущественно за счет поглощения. Проводя дальше нашу прежнюю аналогию, можно сказать, что в такой воде больше «чернил», чем «молока».
А в одной и той же воде соотношение между поглощением и рассеянием зависит от длины волны световых лучей.
КАК СДЕЛАТЬ ВОДУ ПРОЗРАЧНЕЙ?
Однажды в английский порт пришло судно с большой пробоиной ниже ватерлинии. Судно получило опасный крен. Требовался срочный ремонт. Необходимо было прежде всего осмотреть место повреждения. Но вода в порту была такой грязной, что ни водолазы, ни подводная телевизионная камера ничего не могли рассмотреть. Тогда-то и был изобретен контейнер прозрачной воды. Снабженная им передающая телевизионная камера позволила быстро осмотреть пробоину, и судно было отремонтировано.
Что же представляет собой контейнер прозрачной воды?
Это большая оптическая насадка на телевизионную передающую камеру. Контейнер прозрачной воды представляет собой металлический корпус, внутри пустой, а по торцам закрытый стеклянными иллюминаторами. Сделан корпус из легкого сплава. Одним концом корпус крепится непосредственно на передающую камеру. Если контейнер предназначается для работы с камерой на больших глубинах, то его внутренность наполняется чистой водой. Кроме того, для работы на больших глубинах контейнер снабжается клапаном, позволяющим выравнивать гидростатическое давление внутри и снаружи без смешивания жидкостей.
Большой иллюминатор контейнера можно вплотную приложить к наблюдаемому предмету, и теперь можно с успехом рассматривать его даже в очень мутной воде, потому что между ним и передающей камерой на всем расстоянии нет мутной воды. Без контейнера передающую камеру пришлось бы прижимать вплотную к месту повреждения. Но беда в том, что поле зрения получилось бы таким маленьким, что в большинстве случаев осмотр потерял бы смысл. Да и объектив трудно фокусировать на очень коротких дистанциях.
Применение контейнера облегчает телевизионные наблюдения в мутной воде лишь на малых расстояниях и увеличивает дальность видения с 90 до 270 сантиметров, и только! Нельзя сделать металлический контейнер длиной в десятки метров. Между тем для многих целей очень важно иметь дальность видения в воде побольше. Как же быть? Нельзя ли придумать какие-нибудь другие способы увеличения дальности видения? По-видимому, можно.
Например, известно, что некоторые химические соединения обладают свойством просветлять воду. К их числу относятся квасцы. Да, обыкновенные квасцы! Если к мутной водопроводной воде добавить некоторое количество квасцов, то она очищается. Мельчайшие взвешенные частицы, делавшие ее мутной, выпадают на дно в виде осадка. Под действием квасцов отдельные мельчайшие частички укрупняются и уже не могут больше свободно плавать в воде. Сила тяжести берет верх. Такой способ очистки воды применяется в лабораториях. Но еще никто не пробовал применять его в море или в реке. Слишком большое количество очищающего вещества – коагулятора надо было бы ввести для очистки.
Но нельзя ли вместо квасцов найти какой-нибудь другой более эффективный коагулятор? Представьте себе, что химики найдут вещество, в 10 раз более активное, чем квасцы. Специальный насос будет впрыскивать этот эффективный коагулятор в просматриваемое пространство перед телевизионной камерой. И тогда, пока течение и волны не перемешают очищенный объем воды с окружающей мутной водой, можно будет провести необходимые наблюдения.
Этот способ напоминает отчасти времена парусного флота. Тогда, чтобы на некоторое время ослабить волнение, моряки лили за борт масло. Растекаясь, оно уменьшало волну, и корабль мог за эти несколько минут пройти через наиболее опасные места.
Но у нас пока еще нет достаточно эффективного коагулятора…
СВЕТОВАЯ ДЫМКА
Главное препятствие для телевизионных наблюдений в воде – это дымка рассеянного света. Поэтому наблюдаемые в воде предметы освещать надо так, чтобы обеспечить минимальную яркость дымки. Но как это сделать?
Посмотрим с улицы в комнату через окно, прикрытое тюлевой занавеской. Если дело происходит днем, мы не увидим в комнате почти ничего. Если же в комнате горит свет, то мы свободно рассмотрим ее внутренность, несмотря на наличие той же занавески. При освещении изнутри занавеска в значительно меньшей степени препятствует наблюдениям. И происходит это потому, что обращенная к нам вуаль (т. е. занавеска) не освещена снаружи: она почти не понижает контраст. Между освещенными предмета-ми за ней, т. е. в комнате, и темнотой вокруг окна.
Именно с этим явлением мы сталкиваемся при наблюдении в воде самосветящихся объектов. Горящая в воде электрическая лампа видна на значительно большем расстоянии, чем предметы, освещенные посторонним источником света. Увеличивает дальность видимости и более высокий контраст, которым обладает нить лампы, и то, что световая дымка образована лишь за счет рассеянных лучей, идущих от лампы. При наблюдении обычных, не самосветящихся предметов световая дымка образована рассеянными световыми лучами, идущими сначала к освещаемому объекту, а затем от него к объективу передающей камеры. Естественно, что яркость световой дымки в этом случае ярче и видимость ухудшается.
Однако, как мы сейчас увидим, и обычные, не самосветящиеся предметы можно поставить в условия, приближающиеся к условиям наблюдения самосветящихся, создать для них такой же режим освещения. Для этого необходимо расположить источники света как можно ближе к наблюдаемому предмету. Тогда световая дымка будет образовываться только при распространении отраженных световых лучей, т. е. создадутся условия, близкие к тем, при которых наблюдается самосветящийся предмет. Вследствие этого возрастает и возможная дальность видимости.
Однако на практике далеко не всегда можно выполнить это условие. Попробуйте-ка поднести сильную осветительную лампу вплотную к какой-нибудь крупной рыбе, находящейся в десятке метров от передающей камеры! Наверное вы не сможете этого сделать. А если сможете, то не лучше ли будет передвинуть поближе уже не только осветительную лампу, но и самую передающую камеру? Очевидно, такой способ освещения применим лишь в тех случаях, когда к объекту наблюдения можно вплотную подвинуть осветитель, но нельзя приблизить передающую камеру.
Если неудобно выносить светильники далеко вперед, то не могут ли их заменить световые вспышки, производимые с помощью каких-либо патронов, начиненных световым составом? Световые патроны должны каким-то простейшим путем достигать наблюдаемого предмета и только по достижении его вспыхивать. Очевидно, этот способ также практически неудобен.
БЫСТРЕЕ СВЕТА?!
Нельзя ли создать условия освещения, обеспечивающие отсутствие дымки, или, точнее говоря, минимальную дымку, и при обычном расположении светильников, т. е. вблизи камеры?
Предполагают, что можно, но для этого нужно, чтобы источник света горел не непрерывно, а давал бы отдельные вспышки, импульсы. Световой импульс посылается источником на объект, отражается от него и возвращается к передающей камере. Если длительность светового импульса, воспринимаемого камерой, достаточно коротка, рассеянное излучение придет к камере позже основной части импульса, отраженного от наблюдаемого объекта. Чтобы отсечь часть светового импульса, несущую полезную информацию от объекта, от его хвоста, состоящего из рассеянного света, камера должна быть снабжена особым быстродействующим затвором. Открытие затвора должно происходить с определенной задержкой в зависимости от длины пути световых импульсов в воде. Вся установка в целом для освещения в воде на новом принципе несколько напоминает современный радиолокатор, но отличается от него рядом очень существенных особенностей. Прежде всего необходима очень малая длительность световой посылки.
Английские ученые, например, считают, что новая система должна работать на световых импульсах, имеющих длительность порядка одной сотой микросекунды. Но получить достаточно мощный световой импульс длительностью в одну стомиллионную долю секунды – это сама по себе сложная задача.
В данном случае она осложняется еще и тем, что необходимо обеспечить достаточно высокую частоту повторения световых посылок.
Будущее покажет, какой из новых методов освещения даст наилучшие результаты в подводном телевидении. А пока, как это часто бывает, в технике подводного освещения идут на компромиссное решение вопроса. Для уменьшения влияния световой дымки светильники стараются отнести, по возможности, в стороны от передающей камеры и выдвигают их как можно дальше вперед.
КАК ВИДЯТ РЫБЫ И ПЕРЕДАЮЩИЕ КАМЕРЫ?
Как видят рыбы? Ответ на этот вопрос очень интересен для конструкторов подводных телевизионных установок. Ведь рыбы живут в воде миллионы и миллионы лет! Можно предполагать, что уж они-то хорошо приспособились для наблюдений в воде. Поэтому было бы очень интересно узнать, каково поле зрения у рыб, какие цвета они наиболее хорошо видят, какова контрастная чувствительность их зрения и, наконец, как далеко они могут видеть в воде.
Но не так-то просто получить у рыб ответы на все эти вопросы!
Уже довольно давно американскому физику Вуду удалось определить поле зрения глаза рыб. С помощью ряда остроумных опытов он нашел, что поле зрения каждого глаза рыбы составляет около 180°. Это очень много – видеть в целой полусфере одним глазом. Для сравнения можно сказать, что поле зрения человеческого глаза в воздухе не составляет и двух третей поля зрения рыбы. Если вспомнить, что глаза у рыб расположены по бокам головы, то надо признать, что рыбы могут видеть одновременно вперед и назад, т. е. просматривать почти все окружающее их пространство воды. Столь широкое поле зрения необходимо и при подводных телевизионных наблюдениях. Но современная оптика подводного телевидения еще далека от достижения этой цели, хотя, судя по сообщениям печати, уже имеются камеры, поле зрения которых в воде составляет несколько более 100°.
Использование передающей камеры с большим углом зрения позволяет сразу увидеть большой участок поверхности. Это особенно важно при проведении контрольных наблюдений в портах, где обычно вода мало прозрачна и поэтому передающую камеру нельзя отнести подальше от осматриваемого судна. Созданы объективы с углом зрения в 180° (в воздухе), но в подводном телевидении они пока не применяются Причиной этого является ряд недостатков, в том числе малая светосила.
А телевидение под водой нуждается в светосильных объективах, так как вследствие значительного ослабления света его под водой не хватает для обеспечения нормальной работы передающей трубки.
Каково же цветное зрение рыб? Кандидат биологических наук В. Р. Протасов нашел, что спектральная чувствительность глаз рыбы не охватывает всего видимого человеку светового диапазона. У разных рыб имеется различная чувствительность по спектру. Например, рыбы, проводящие всю жизнь в чистых «голубых» водах (например, акула), совершенно не видят красных лучей. Глаза других рыб, как, например, живущего в мутной воде сома, наоборот, имеют максимум чувствительности в области красных лучей. Максимальная спектральная чувствительность глаз различных рыб примерно совпадает с максимальной прозрачностью воды, в которой живет данный вид.
Итак, рыбы довольно хорошо приспособлены для видения в воде, чего нельзя пока сказать про современные передающие трубки.
«ДАЙТЕ МНЕ ТОЧКУ ОПОРЫ!..»
Это восклицание, приписываемое знаменитому ученому древности Архимеду, мы не раз вспоминали при разработке механизма для поворота передающей камеры в воде. Предание говорит, что Архимед был намерен с помощью рычага сдвинуть земной шар. Наша задача была значительно скромнее: требовалось лишь найти способ уверенного управления в воде положением маленькой передающей камеры. Однако и это оказалось не так уж просто.
Как это часто бывает в науке, над решением одной задачи одновременно работали в разных странах.
Видимо, одним из первых некоторых успехов в этой области добился Торрингтон, в Канаде. Он использовал для поворота своей камеры гребные винты, приводимые в движение небольшими электромоторами. Камера Торрингтона имела три таких винта, которые и обеспечивали ее поворот в различных направлениях. Но этот способ не очень удобен по нескольким причинам. Например, для того чтобы удержать камеру под водой в определенном направлении, необходимо часто подрабатывать винтами. При наличии течения или волнения может случиться так, что придется заставлять винты работать непрерывно. И это тоже очень неудобно. Работающие винты создают вокруг струи воды, которые могут распугать наблюдаемых животных, а при наблюдениях: у дна струи от винтов могут поднять ил со дна и взмутить воду. Кроме того, работающие винты создают шум, который иногда может быть очень нежелательным. Надо было найти какой-то другой, лучший способ.
Английские ученые предложили использовать принцип перископа. В этом случае сама передающая камера с трубкой остается неподвижной, а вращается перископическая головка. Но и у этого способа есть свои недостатки. Наблюдаемый предмет может оказаться за пределами поля зрения камеры. Кроме того, во многих случаях желательно, чтобы поворачивалась вся камера целиком. Это совершенно необходимо, например, если на самой камере укреплены ловушки для отлова наблюдаемых животных.
Почему нельзя точно управлять движениями камеры в воде? Нет точки опоры. Вот когда мы вспомнили Архимеда! Камера висит на конце длинного и относительно тонкого троса или кабель-троса. Ни тот, ни другой не обладают достаточным сопротивлением на скручивание. Если взять электрический моторчик, подвесить его на конце длинного троса, а к его валу прикрепить передающую* камеру, то при включении моторчика в сеть начнет вращаться… Как вы думаете, что? Вопреки ожиданию, вертеться начнет… статор мотора! Он будет закручивать трос, на котором подвешен, а передающая камера будет оставаться на месте! Происходит это потому, что момент инерции у тяжелой камеры обычно значительно больше момента инерций легкого электромоторчика. Но если сделать момент инерции поворотного устройства во много раз больше, чем момент инерции передающей камеры, то с помощью мотора камера сможет поворачиваться.
Как, однако, это сделать? Ведь увеличить момент инерции любого предмета – это значит увеличить его массу и увеличить расстояние этой массы от оси вращения. Но увеличить массу – значит сделать предмет более тяжелым. А это очень нежелательно. Передающая камера подводной телевизионной установки не должна весить на воздухе больше 50 килограммов, иначе с ней трудно обращаться во время качки судна. Массу механизма поворота желательно сделать по крайней мере в 10 раз больше массы камеры: десятикратное увеличение момента инерции камеры является минимальным. Лучше, если масса поворотного механизма будет больше, например, в 100 раз. Тогда при повороте камеры вращающий ее механизм будет оставаться практически неподвижным. Но в этом случае слишком уж тяжелой получается вся комбинация из камеры и механизма для ее поворота.
Выход был все же найден.
Любое тело, находящееся в воздухе или в воде, как бы присоединяет к себе некоторое количество окружающего его воздуха или воды. Иначе говоря, во всех движениях данного тела принимает участие некоторое количество окружающего его вещества. Присоединенная масса зависит от формы тела. Для тел хорошо обтекаемой формы она мала. Наоборот, для тел плохо обтекаемой формы присоединенная масса велика. Например, для хорошо обтекаемого тела веретенообразной формы (для дирижабля) присоединенная масса (вычисленная от его объема) составляет всего лишь 8 процентов. У шара присоединенная масса равна 50 процентам, а для плоской пластинки она еще больше. Вот эту-то массу и удобно использовать для стабилизации механизма поворота. Следует лишь снабдить его кожух плоской пластинкой достаточных размеров. При погружении в воду к пластинке присоединится значительная масса окружающей ее воды – и необходимый высокий момент инерции обеспечен. А поднимать и спускать камеру будет нетрудно, так как стабилизатор из легкого сплава весит мало!
Первый опыт мы сделали в лаборатории. Вместо передающей камеры Александр Сергеевич Абрамов, инженер и главный механик лаборатории, взял кусок здоровенной трубы из красной меди и подвесил ее к потолку на тонком тросе. Труба повисла над полом в горизонтальном положении. К трубе снизу он прикрепил электромоторчик с редуктором, на выходном валу которого укрепил в качестве стабилизатора флажок из фанеры. Под трубу снизу подставил большой противень с водой, в которую погрузился флажок. Большинство сотрудников лаборатории с недоверием смотрело на странное сооружение. Но при включении тока в цепь моторчика тяжеленная труба вдруг начала медленно вращаться! Правда, стабилизатор в воде тоже не оставался на месте. Но все же это был успех.
Были сделаны необходимые вычисления, и конструктор Б. Рыхлов разработал компактный механизм, который был способен поворачивать шаровидную передающую камеру в море.
Спустя несколько месяцев мы производили испытания нового устройства в Голубой бухте. В чистой воде у борта экспедиционного судна «Форель» было хорошо видно, как большой и тяжелый стальной шар, повинуясь воле оператора, поворачивался в любом направлении: вправо и влево, вверх и вниз; а большой стабилизатор, прикрепленный к корпусу, в котором был заключен механизм, оставался практически неподвижным. Стоял, что называется, как вкопанный. Это была уже настоящая победа!
Присоединенная масса, многим казавшаяся мифической, работала великолепно!
