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“海瞳”相機在萬米深海底拍攝到的溝蝦。
團隊研發人員正在調試“海瞳”相機。
文/圖 半島全媒體記者 徐杰
一萬多米深的海底是什么樣子?來自海洋國家實驗室海洋觀測與探測聯合實驗室的一個團隊,歷時9個月自主研發了我國首臺全海深高清相機“海瞳”,共采集到了長達12小時的高清視頻,在我國深海科考史上首次完成全海深的高清視屏獲取。半島記者日前采訪了解到,功能優化后的“海瞳”相機計劃在今年8月份進行第二次深海探索,挖掘更多海底奧秘。
重任>>
讓指甲蓋上站一頭大象
神秘的海洋讓人向往,如何獲取超過萬米深海底的影像,成為不少海洋科研團隊攻關的方向。2016年6月份,由海洋國家實驗室與中科院西安光機所聯合組建的海洋觀測與探測聯合實驗室接到了一項科研重任——自主研發全海深相機,應用到中科院深淵科考隊在2017年1月進行的深海科考中。看似簡單的水底拍攝相機,卻具有開先河的意義,因為海水的折射、散射不僅導致圖像模糊、色彩失真,巨大的水壓還可能讓相機瞬間破裂。
然而,一個平均年齡僅有32歲的科研團隊,卻出色地完成了這項重任。吳國俊是海洋觀測與探測聯合實驗室的副主任,同時也是“海瞳”相機科研團隊的成員之一,日前他向記者講述了“海瞳”相機研發的始末。
吳國俊告訴記者,要研發這種全海深的相機,首先要面對的是如何解決深海環境中的抗壓能力。“水下每增加10米,相當于一個大氣壓的壓力,對11000米這樣的深度相當于在每1平方厘米的面積上產生了1.1噸的壓力,相當于我們指甲蓋上面站了17個成年人或者一頭大象。”吳國俊說,通常來說,要解決這種抗壓問題有內部充油、干艙密封兩種方式。
“使用內部充油這種方法,可以解決在深海環境中的內外壓差,但這種辦法卻無法應用在海瞳相機上。”吳國俊介紹,由于海瞳相機屬于精密光學儀器,內部充油會影響光學系統,因此這種辦法只能舍棄。而采用干艙密封這種方法的困難也很大,因為要在海瞳相機外面加一個由艙體和窗口組成的密封機構,海底環境中的巨大壓力全部要由密封機構來承受。對于這種方法,在國內沒有可以參考的先例,檢索資料雖然發現國外有相關的技術,但也是封鎖的。
攻關>>
“打碎”設計,深挖細節
吳國俊介紹,組成密封機構的窗口很硬,但密封圈又很軟,不同材料在大壓力下變形情況復雜,仿真過程困難重重。“我們通過在電腦里建立模型不斷地仿真和優化,并通過仿真壓力艙模擬水下一萬多米的深海環境,一點一點找到了精準的設計參數。”吳國俊說,經過6個多月的自主研發后,2016年底,他們團隊終于迎來了“海瞳”相機的第一次打壓測試。
整個打壓測試的過程持續了五個多小時,完成測試程序后,“海瞳”研發團隊撈出“海瞳”相機之后發現,相機的窗口在打壓過程之中出現了破裂,測試失敗了。面對這個結果,吳國俊和團隊的同事在一個多小時的時間里,都不知道該說什么。失落的同時也感到壓力更加重大了,因為中科院深淵科考隊在2017年1月就要進行深海科考,這就意味著留給團隊改進的時間只有一個月了。
“我們團隊請來了多位專家封閉式研討,在李學龍所長的帶領下,一個月的時間里基本上是吃住都在實驗室里。”吳國俊說,他們把每一步的設計都重新“打碎”,不斷地優化設計過程、工藝過程,連裝配的順序也不斷嘗試改進,哪怕是一個小小的螺絲。“比如說,我們把密封機構的一圈螺絲按照不同順序和不同預緊力組裝,先把所有螺絲擰一半的預緊力,然后多次循環逐漸加力,保證每一個地方在深海條件下受力更加均勻。”吳國俊說,通過深挖這種細節,一個月后,他們成功改進了“海瞳”相機并迎來了第二次打壓測試。而這一次,他們成功了。這就意味著“海瞳”相機可以跟隨科考船出海了。
成果>>
萬米海底記錄生物影像
2017年1月份,“海瞳”相機跟隨中科院深淵科考隊TS03航次出海科考并參加海試。整個航次過程中,“海瞳”相機有4次下潛到7000米的深海,3次下潛到超過10000米的深海,下潛最深處達10911米,并采集到了共計12小時的高清視頻,在我國深海科考史上首次完成全海深的高清影像獲取。
“我們在8000米水深的海底發現了通體白色的獅子魚,并記錄下了它覓食活動的影像。這是首次用國產相機發現在水下8000米有魚類存在,是海洋生物學的重大突破。”吳國俊說,此外,他們還在超過一萬米深的海底發現了溝蝦等生物,與生活在8000米水深的溝蝦相比,生活在萬米深海底的溝蝦在數量和體型上都更少、更小。“萬米深的海底因為壓力太大,尚沒有發現魚類的生命跡象。”吳國俊說,“海瞳”相機在深海記錄的影像為海洋生物、物理海洋等學科研究提供了重要的原始數據。
進展>>
二代“海瞳”瘦身近一半
前后歷時9個月的時間,“海瞳”團隊完成了第一代“海瞳”相機的研發,并在深海科考中實現了成功的海試。盡管已經實現了一系列的重大突破,“海瞳”團隊并沒有停下研發優化的腳步,計劃通過一次次的試驗不斷完善“海瞳”的功能。就在近日,“海瞳”團隊還接到了美國夏威夷大學的邀請,想把“海瞳”相機用于合作交流。
在海洋觀測與探測聯合實驗室里,記者見到了正在研發優化的“海瞳”相機。從外觀來看,“海瞳”相機像是一個圓柱體,兩端均由一圈螺絲密封。其中一端是透明的窗口,方便光線采集和傳輸,另一端連接著兩根黑色的電纜,整個相機重十五公斤。吳國俊說,如今,他們對“海瞳”的優化主要有兩個方向,一個是更加小型化,使其更方便地搭載到水下潛器上；另一個方向是功能強化,延長其工作時長、增加控制功能、方便數據傳輸等。
新研發的二代“海瞳”相機在體積上由原先的133毫米的直徑、386毫米的長度,縮小到80毫米的直徑、170毫米的長度,體積縮小了近一半。單次工作時長也由原先的10個小時延長到62個小時。“今年8月,‘海瞳’相機將進行第二次深海探索,挖掘更多海底奧秘。”吳國俊說。
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