Для проведения океанологических исследований подводные аппараты, обитаемые и необитаемые, оборудуются специальной аппаратурой. Исследовательская аппаратура предназначена либо для измерения параметров среды и дна, либо для получения визуальной информации о поверхности дна. На подводных аппаратах, кроме того, часто устанавливаются манипуляторы различных типов, с помощью которых появляется возможность выполнения некоторых простых операций.

Для измерения параметров водной среды обычно используются гидрофизические измерительные комплексы, которые устанавливаются на аппаратах. Датчики такой измерительной аппаратуры располагаются, обычно на выносных штангах, что позволяет уменьшить возмущающее воздействие корпуса аппарата на изучаемую среду. Гидрофизический комплекс аппаратуры может обеспечивать измерение средних значений температуры, давления, электропроводимости, скорости течения, скорости звука, а также ряда химических, оптических и акустических характеристик. Помимо средних значений параметров среды, могут измеряться их пульсации. Полученная информация обычно записывается на магнитную ленту и после окончания измерений обрабатывается на судовой ЭВМ.

Для изучения, геолого-геофизических характеристик дна на аппаратах устанавливаются локатор бокового обзора, акустический профилограф, магнитометр, стереофотосистема, телевизионная система с видеозаписью.

Основная масса измерительной и исследовательской гидрофизической и геофизической аппаратуры была рассмотрена ранее в предыдущих разделах книги. В этом же разделе целесообразно остановиться на специальной исследовательской аппаратуре: манипуляторе, телевизионной системе и фотосистеме, широко используемых при проведении исследований аппаратами.

Манипулятор подводного аппарата структурно может быть представлен двумя частями: кинематической структурой и системой управления. Кинематическая структура созданных подводных манипуляторов весьма разнообразна и обычно бывает подчинена задачам, которые манипулятор должен решать. Основным принципиальным вопросом является выбор оптимального числа степеней свободы кинематической цепи и последовательности их распределения. Учитывая, что манипулятор должен работать со свободным телом в пространстве, его захват, очевидно, должен иметь возможность перемещения в направлении трех осей координат и вращения относительно них. Следовательно, минимально необходимое число степеней свободы должно быть равным шести, не считая степень свободы захвата. Однако дело не только в том, какое число степеней свободы имеет манипулятор, но и в какой последовательности по звеньям они распределены. От этого, как показывает анализ, существенным образом зависят возможности захвата манипулятора приблизиться к объекту по произвольной траектории и в произвольном положении. Для оценки степени совершенства кинематической структуры манипулятора обычно пользуются двумя обобщенными критериями. Первый критерий— угол сервиса манипулятора. Он оценивает возможности работы манипулятора в различных зонах рабочей области. Функционально угол сервиса выражается отношением телесного угла, в пределах которого захват может приблизиться к объекту, к 4л. Следовательно, угол сервиса характеризует способности ориентации захвата относительно объекта в различных участках рабочей зоны.

Второй критерий — степень маневренности манипулятора, или, иными словами, степень избыточности. Она характеризует способность подхода захвата к объекту при произвольных траекториях движения остальных звеньев манипулятора. Увеличение степени маневренности манипулятора позволяет также существенно уменьшить мертвые зоны рабочего -пространства.

Совершенно очевидно, что универсальность манипулятора может быть достигнута при условии введения дополнительных степеней свободы сверх минимально необходимых шести.

Распределение степеней свободы манипулятора обычно осуществляется с учетом следующих условий:
— должна обеспечиваться возможность произвольного изменения положения и ориентации захвата;
— должна обеспечиваться возможность произвольного изменения пространственной конфигурации кинематической цепи манипулятора;
— не должны оказывать влияние на положение захвата степени свободы, которые обеспечивают изменение его ориентации.

Второе требование выполняется при условии, что конец первого звена занимает любое положение на сфере, центром которого является первый шарнир. Очевидно, в этой точке должен быть расположен шаровой шарнир.

То же требование выполняется, если конец второго звена при неизменном положении первого двигается по сферической поверхности, центром которой является точка второго шарнира. Для этого шарнир в первой точке должен обеспечивать ротацию относительно оси первого звена и качание в плоскости, проходящей через оси обоих звеньев. При таком распределении степеней свободы становится возможной произвольная ориентация второго шарнира. При фиксированном положении этого звена можно менять пространственную конфигурацию кинематической цепи манипулятора.

Удовлетворение первого и второго требований обеспечивается, если ориентация захвата может произвольно меняться при фиксированном положении первого и второго звена. Поэтому в третьем шарнире на конце второго звена обычно реализуются еще три степени свободы: ротация относительно второго звена, качание и ротация относительно оси третьего звена. Следует добавить, что такой сложный шарнир должен быть к тому же достаточно компактным конструктивно.

Линейные размеры звеньев манипулятора определяют пространство зоны обслуживания. При этом учитывается, что:
— зона обслуживания манипулятора должна быть максимально обширна;
— при фиксированном положении точки конца захвата первое звено должно иметь возможность перемещения в наиболее широкой области.

Функциональные возможности захвата в каждой точке зоны обслуживания определяются обычно коэффициентом сервиса.

Возможности манипулятора в зоне сервиса различны, уменьшаясь к границам. Увеличение зоны обслуживания достигается обычно за счет перемещений самого подводного аппарата или путем применения специальных выносных устройств, перемещающих точку подвески манипулятора к объекту работ. На подвижном конце кинематической цепи манипулятора устанавливается инструмент.

Важным является вопрос выбора пределов изменения обобщенных координат манипулятора. По-видимому, конкретные рекомендации на все возможные случаи дать трудно. Обычно для подводных роботов пределы изменения обобщенных координат в кистевом шарнире принимают для сгибания ±90°, для ротации 180° и более, в локтевом шарнире принимают для сгибания угол не менее 180°, а в плечевом шарнире принимают для сгибания угол до 120°.

Многообразие и полная свобода выбора в конструктивном исполнении кинематической схемы манипулятора прежде всего говорят об отсутствии научно обоснованного подхода к проектированию. Как правило, созданные манипуляторы — это уникальные конструкции, которые невозможно преобразовать, чтобы, например, увеличить число степеней свободы и т. п. Очевидно, что в создании манипуляторов должен быть использован модульный принцип. Задаваясь полезной нагрузкой, которая прикладывается к захвату, легко рассчитать требуемые вращающие моменты приводов звеньев манипуляторов. При этом соотношение вращающих моментов остается постоянным независимо от нагрузки.

Следовательно, могут быть разработаны малогабаритные силовые приводы, как электрические, так и гидравлические, на гамм) вращающих моментов, с помощью которых достаточно быстро и просто может быть синтезирована любая кинематическая-цепь с любыми числом степеней свободы и их распределением.

Подавляющее большинство подводных аппаратов оборудовано манипуляторами, управляемыми в коде раздельных команд, подаваемых на каждый привод. Далее стало применяться управление по скорости вращения валов силовых приводов. Следующим этапом развития этого метода явилось использование командных мнемонических рукояток. Применение в качестве органа управления рукоятки позволяет одновременно оперировать с несколькими степенями подвижности, однако лишь в небольшом рабочем объеме, ограниченном движениями рукоятки. Вне этого объема несоответствие управления за счет искажений на экране дисплея требует дополнительных вычислений оператора, что замедляет работу.

Максимальные скорости перемещения захвата в таких устройствах не превышают 0,15 м/с, средние 0,07—0,05 м/с, поскольку размышления оператора и рабочие движения на перенос захвата должны осуществляться одновременно. Если возникает возможность столкновения исполнительного органа с другими объектами, необходимы более точные действия оператора.

Передача всех преобразований на ЭВМ позволила достигнуть повышения качества управления и увеличения одновременно работающих приводов манипулятора. Задающие органы при этом могут быть различны.

Управление может осуществляться при помощи командных рукояток. Задающий орган может быть геометрически и кинематически идентичен манипулятору. Если задающий орган и манипулятор не идентичны, соединение их степеней свободы в соотношении 1 : 1 оказывается невозможным. В этом случае необходимо в контур управления включить ЭВМ, которая осуществляет соответствующий пересчет координат и учитывает ошибки по положению на приводы манипулятора.

Многие характеристики манипулятора при управлении командными рукоятками отличаются от характеристик манипулятора, управляемого в коде раздельных команд. Практически полное участие всех степеней свободы здесь осуществляется без необходимости длительной тренировки оператора. Оператор выполняет операции в коде движения своей собственной руки, которая однозначно связана с координатами манипулятора. Оператор при этом не получает от манипулятора ответных сигналов, что приводит к ошибкам оператора. Оператор поэтому нуждается в длительном обучении и тренировках. Максимальна» скорость перемещения захвата не превышает 0,45 м/с, а средняя — 0,25 м/с. В ряде копирующих манипуляторов одностороннего действия сделана попытка оснащения их силовым или тактильным очувствлением. При этом становится возможным манипулировать даже с таким хрупким объектом, как яйцо, не повредив его. Параметром обратной связи может быть положение либо усилие.

Манипулятор двустороннего действия не только передает усилия оператору, но также позволяет согласовывать работу с геометрией объекта.

Такие операции, как открывание люка, перемещение рычага, соединение двух деталей, трудно качественно проделать, не пользуясь системой двустороннего действия.

Метод управления двустороннего действия позволяет существенно повысить скорости перемещения захвата, поскольку обратная связь предотвращает превышение допустимой скорости движения задающего органа. Средняя скорость перемещения захвата составляет уже около 0,60 м/с. Более того, при работе с таким манипулятором нет необходимости специального обучения оператора для устранения таких факторов, как поломки. Поэтому возможна одновременная работа всех степеней подвижности и двух манипуляторов одновременно. Два манипулятора, управляемые одним оператором, могут работать даже совместно, в частности поднимать тяжелый груз.

Рассмотренные выше способы управления манипуляторами позволяют правильно понять, от каких действий оператор должен быть освобожден и заменен ЭВМ, а какие должны полностью остаться в его ведении.

Учитывая, что подводный робот действует в существенно неоднородной и неупорядоченной среде, передать функции управления манипулятором полностью ЭВМ, т. е. полностью запрограммировать его действия, оказывается невозможным. Очевидно, необходимо управлять манипулятором на разных уровнях. При этом система должна непрерывно информировать оператора о качестве работы с помощью ряда сенсоров и дисплеев, предусматривая при необходимости вмешательство оператора в процесс управления.

Оператор при этом может задавать два типа команд:
— команды на индикацию объекта, которые сопровождаются включением некоторой подсистемы, являющейся подсистемой целеуказания;
— команды в коде движений, задаваемые рукояткой управления либо с помощью символов и других сигналов.

ЭВМ получает инструкции от оператора и преобразует их в двигательные команды на приводы манипуляторов. При этом необходим каталог типовых операций. Этот каталог подпрограмм должен быть заранее записан в память ЭВМ. План работы передается дистанционно управляемой исполнительной ЭВМ (если она имеется), которая и осуществляет конкретное управление манипуляторами робота, получая информацию от сенсоров и выполняя максимум операций, которые она способна выполнить самостоятельно. Если она не справляется с управлением самостоятельно, она может обратиться за помощью к высшему уровню управления — командной ЭВМ и человеку-оператору. При такой организации процесса управления человек в любую минуту может прибегнуть к ручному управлению, а затем снова передать управление ЭВМ, используя символические команды. Во время ручного управления оператор перестает быть супервизором и становится обычным оператором манипулятора. Если ЭВМ успешно справляется с выполнением работ, оператор в это время имеет возможность планировать уже следующие операции, используя в ряде случаев предсказательные и моделирующие способности командной ЭВМ.

Подсистема целеуказания и манипулятор с набором сенсорных датчиков расположены на дистанционно удаленной стороне подводного робота. Датчики должны различать прикосновения захвата к предметам, свойства поверхностей и усилия, прикладываемые к манипулятору. Поскольку различные виды сенсоров дополняют друг друга, нет необходимости в том, чтобы датчики были высокоточными. Вместе с исполнительной ЭВМ датчики позволяют найти объект, правильно его взять и переместить его, куда нужно, даже при наличии препятствий. Все это образует автономную систему, которая может выполнять простейшие повторяющиеся операции, такие, как завертывание—отвертывание гаек, подсоединение шланга, гораздо быстрее, нежели это может сделать оператор при ручном управлении. Очевидно, что сначала человек-оператор выполняет операцию сам для задания основных инструкций автономной системе, а затем с помощью подсистемы целеуказания будет лишь определять месторасположение объектов, с которыми нужно произвести сходные операции. Такой подход может быть применен при выполнении однотипных операций в различных частях рабочего пространства с различными объектами.

В режиме обучения автономная система действует как пассивный наблюдатель, пытающийся «понять», как происходит управление манипулятором со стороны оператора, и разработать свое «представление» об окружающей среде. На этом этапе она определяет взаимосвязь между управляющими действиями оператора и окружающей средой. После приобретения такого пассивного опыта внутренняя часть начинает брать на себя большую часть управления. На втором этапе оператор действует в основном как инициатор, позволяя автономной системе по возможности самой управлять манипулятором. И наконец, функции оператора сведены к работе в качестве супервизора (выработка стратегии работы и контроль за работой манипулятора). В такой системе этап принятия решений должен быть сведен к минимуму. Автономная система, очевидно, должна быть устроена так, чтобы иметь возможность «забывать», чему она была обучена, и записывать в память новые задачи на место старых. Это свойство обусловливает возможность адаптации робота к окружающей среде и к новым принципам работы оператора, решающего новую задачу.

При создании супервизорной системы управления подводного манипулятора встают две взаимосвязанные проблемы: во-первых, разработка средств связи оператора и ЭВМ и, во-вторых, конструирование исполнительной части так, чтобы она могла самостоятельно решать некоторые задачи.

Для того чтобы управлять манипулятором в супервизорном режиме, оператор должен прежде всего разделить задачи на ряд более мелких, которые автоматическая подсистема управления могла бы решать сама. Если, однако, части задачи таковы, что оператор решает их, практически не задумываясь, появляются определенные трудности при их формализации с помощью некоторого символического языка. Это обусловливает необходимость двух методов управления в рамках одного робота: аналогового управления, в котором существует некоторая степень геометрического или динамического подобия между движениями руки оператора и движениями манипулятора, и символического, в котором команды управления выражаются на формальном языке, понятном ЭВМ. При этом символы должны быть настолько простыми, чтобы оператор мог легко составлять из них слова и даже Целые фразы. Аналоговые команды могут быть использованы не только для непосредственного управления манипулятором, но и могут применяться в супервизорном управлении. Способ интерпретации двигательных образцов должен выбираться- оператором с использованием символического кода. Для обмена между ЭВМ и оператором желательно иметь также различные средства наглядного отображения — на дисплее.

Для выработки ряда последовательностей действий и выбора из них одной, необходимой для решения поставленной задачи, автономная подсистема должна иметь достаточное «представление» об окружающей среде — внутреннюю картину внешнего мира, а также информацию о состоянии манипулятора. Внутренняя картина окружающей среды имеет две фундаментальные характеристики, которые определяют количество информации об окружающей среде: число возможных направлений движений захвата и возможности движения по каждому направлению. Направления движения определяются в основном спецификой решаемой задачи. Возможности движения по заданному направлению определяются, с одной стороны, загруженностью среды объектами, а с другой — качеством обратных связей системы управления. Например, чтобы слегка коснуться объекта захватом, необходимо или очень точно знать его расположение в пространстве, или иметь качественную тактильную информацию для определения момента сопротивления.

Поскольку окружающая среда часто изменяется непосредственно в процессе работы, обратные связи должны менять внутреннее представление робота об окружающей среде. Это необходимо для ЭВМ прежде всего для выработки последовательности действий, направленных на решение поставленной задачи для оценки эффекта действия- каждой последовательности и, наконец, для выбора необходимой последовательности из выработанного ряда.

Первые два требования означают, что все возможные последовательности элементарных действий должны быть различимы между собой с указанием применимости или так называемой стоимости каждой. Только человек-оператор может ставить подцели, причем довольно близкие к текущему процессу, так, чтобы автономная подсистема могла найти пути их выполнения. В таких случаях особенно предпочтительно выглядят рекурсивные процедуры. Без них каждый случай — особенный, а наличие громадного числа программ, записанных в память исполнительной ЭВМ, становится совершенно необходимым. Очевидно, что тип и частота взаимодействий оператора и ЭВМ зависят от задания и уровня интеллекта автономной подсистемы.

Упрощенно рассмотренное управление манипулятором в комбинированном коде позволяет существенно расширить возможности управления в коде движений. Такая система обеспечивает сохранение постоянства усилия захвата, автоматическое поджатие захвата при проскальзывании объекта и тому подобные действия, которые обычно выполняются оператором при управлении манипулятором в коде движений с отражением усилий.

Для реализации рассмотренного метода управления манипуляторами подводного робота необходимо решить прежде всего проблему создания системы математического обеспечения, которая бы объединила подсистему целеуказания, сенсорную подсистему и символический или какой-либо иной язык. Очевидно, что она должна решаться в несколько этапов с широким использованием как аналитических методов, так и методов моделирования и исследований на конкретных конструкциях подводных роботов-манипуляторов.

Подводное телевидение первоначально стало применяться для поисковых и аварийно-спасательных работ, а несколько позже и для океанографических исследований.

Подводное телевидение по структуре в основном повторяет устройство вещательного телевидения. Однако прослеживаются и специфические отличия. Так, для вещательного телевидения четко поставлены условия к стандарту разложения изображения, к числу кадров в секунду и числу строк за кадр. Поэтому проектирование вещательной аппаратуры сводится в основном к решению схемно-электрических и конструктивных вопросов. При проектировании телевизионной аппаратуры прикладного назначения приходится уделять большое внимание выбору основных его параметров, исходя из заданных условий работы и решаемых задач.

Круг задач, решаемых с помощью телевидения, достаточно широк. Сюда относятся наблюдения донной поверхности, управление манипуляторами, выбор объектов для фотосъемки, наблюдение за рыбами и морскими животными.

Основным показателем качества телевизионного изображения является его четкость. Снижение четкости изображения по сравнению с четкостью объекта, воспринимаемого непосредственно глазом, происходит из-за аберрации объектива камеры, дифракционных явлений в отверстии диафрагмы, апертурных искажений в передающей и приемной трубках и потерь Из-за недостаточной ширины полости пропускания телевизионного канала. В телевизионном изображении поэтому теряются мелкие детали, и оно всегда получается менее четким, чем видимое невооруженным глазом.

Таким образом, практически скомпенсировать такое затухание и передать высокочастотную часть полезного сигнала невозможно.

Применение же встроенного в кабельную линию усилителя требует решения большого числа принципиальных и конструкторских задач.

Уменьшить полосу частот можно также путем снижения частоты кадров и числа строк в кадре.

Переход к малокадровым системам телевидения, т. е. к увеличению времени передачи одного кадра телевизионного изображения, позволяет использовать более узкую полосу частот.

Далеко не всякая передающая трубка может работать в малокадровом режиме, так как при создании большинства трубок учитывается стандартный режим работы. Если мишень в таких трубках сделана не из хорошего изолятора, то увеличение времени накопления будет приводить к растеканию и нивелированию потенциального рельефа, снижению четкости и уменьшению светочувствительности. Пригодность телевизионных трубок к работе в малокадровых телевизионных системах удобно оценивать по так называемой временной характеристике, определяющей зависимость потенциального рельефа (или снимаемого видеосигнала) от времени экспозиции. Поставленным требованиям отвечают передающие телевизионные трубки типа суперортикон и видикон.

Важное значение имеет выбор типа приемных телевизионных трубок. Обычные кинескопы здесь мало пригодны. На них в зависимости от длительности периода одного кадра может возникнуть сильно мерцающее изображение. Приходится применять электронно-лучевые трубки с длительным послесвечением или приборы, позволяющие записывать изображение на фото- и кинопленку.

Для подводного телевидения обычно применяются в основном три типа ламп светильников постоянного во времени излучения: галогенные лампы накаливания, ртутные лампы высокого давления и металло-галогенные лампы с добавкой иодистого таллия.

Для визуального наблюдения, телевидения и съемки на фото-и кинопленку наиболее эффективна таллиевая лампа МГЛ—Т121з.

Хорошо показала себя серия подводных светильников, излучающих при одинаковой мощности питания в 5 раз больше света, чем иодно-кварцевая лампа накаливания, и в 2 раза больше ртутной лампы типа ГРЛ. Эти источники являлись частью системы подводного освещения, состоящей из трех сменных ламп, отражателя и электрической схемы регулировки интенсивности.

Состав оборудования телевизионной системы делится на две части. Одна из них, включающая в себя телевизионную передающую камеру с оптической системой, которая оснащается одним или несколькими объективами с различными углами зрения и светофильтрами, располагается на подводном носителе. В этот комплект входят синхрогенератор, усилитель—формирователь видеосигнала, блок питания и блок передачи видеосигнала по кабелю. Вторая часть оборудования размещается на борту судна-носителя и состоит из блока приема видеосигнала, видеоконтрольного устройства и видеорегистрирующего устройства.

В зависимости от специфических задач блок-схема может дополняться отдельными элементами, но основные блок-схемы остаются неизменными.

На глубоководных аппаратах возникает необходимость применения систем, позволяющих дистанционно управлять телевизионной установкой: сменять объективы передающей трубки, включать и выключать аппаратуру, управлять сменными светофильтрами. Такое управление производится с борта судна.

Оборудование, находящееся на борту судна, комплектуется также в зависимости от поставленных задач. Так, например, для регистрации видеоинформации могут применяться видеомагнитофоны, аппаратура киносъемки с экрана и фотографирующие устройства. Для визуального наблюдения применяются видеоконтрольные устройства с экранами различных размеров, устанавливаемые как на пульте управления, так и в других помещениях судна-носителя.

Устанавливаемые на исследовательских средствах фотокомплексы позволяют производить стереосъемки.

Анализ существующих фотосистем, устанавливаемых на подводных аппаратах, позволяет сделать следующие выводы:
— фотосистемы работоспособны до предельных глубин;
— съемка производится в основном с отстояния от дна 4—10 м;
— площадь, снимаемая на одном кадре, составляет десятки— сотни квадратных метров;
— количество снимаемых кадров при съемке на площади 2,5 км2 составляет более 100 000; количество отснятой пленки исчисляется несколькими тысячами метров, затраченное время — десятками — сотнями часов;
— время на обработку и просмотр отснятых материалов составляет сотни часов;
— в фотосистемах применяется несколько типов фотокамер (35 и 70-миллиметровые), специально разработанных для работы под водой, световых импульсных приборов и блоков питания световых приборов;
— углы поля изображения камеры в воде находятся в основном в диапазоне 50—77°, достигая 114°;
— запас пленки в кассете доходит до 122 м на нормальной основе и до 244 м на тонкой основе;
— количество снимаемых кадров достигает 3200 при использовании пленки нормальной толщины и 6400 при использовании пленки с тонкой основой;
— время непрерывной работы фотокамер достигает 30 ч.

На основе анализа разработок прослеживаются следующие основные тенденции, использующиеся при конструировании фотокомплекса:
— обеспечение высокого качества изображения-, позволяющего получать с отснятых материалов максимум информации;
— увеличение площади, снимаемой на одном кадре;
— увеличение дальности съемки, т. е. работа при максимально возможных отстояниях от дна;
— увеличение продолжительности съемки.

Составными частями фотосистем в общем случае являются фотокамера, светотехническая часть, устройство управления и контроля, источники питания.

Лентопротяжные механизмы употребляются как безызмерительные, так и измерительно-тянущие и тянуще-измерительные.

Безызмерительные механизмы находят применение в простейших конструкциях. В этих механизмах наматывающая катушка жестко соединена с распределительным механизмом и делает за каждый цикл съемки постоянное число оборотов. Постепенное увеличение длины пленки на наматывающей катушке приводит к постепенному увеличению межкадрового промежутка и, следовательно, к неэкономному расходованию фотопленки.

Отличительной особенностью и основной функцией измерительно-тянущих и тянуще-измерительных лентопротяжных механизмов является измерение транспортируемой пленки, которое осуществляется измерительным валиком. Связь между пленкой и измерительным валиком может быть как фрикционной, так и за счет перфорационных зубьев у валика, что дает возможность применять как перфорированную, так и неперфорированную пленку.

Для привязки получаемых снимков в фотокомплексах практикуется впечатывание дополнительных данных на край кадра с помощью короткофокусных объективов с табло, выполненного на светодиодах. Обычно впечатываются: дата, время и номер кадра, глубина, координаты съемки , двоичный код для автоматизированного поиска снимков в архиве.

Блок управления и контроля фотокомплекса задает режим и темп работы фотосистемы, обеспечивает совместную работу всех устройств, осуществляет синхронизацию световых приборов, управляет работой узла впечатывания данных, контролирует работу лентопротяжного механизма, срабатывание затвора и световых приборов, сигнализирует об обрыве пленки и количестве отснятых кадров, а при получении с импульсного экспонометра сигналов о пересвете и недостатке света управляет диафрагмой.

При работе объектива под водой существенно изменяются его аберрационные и габаритные характеристики: масштаб изображения увеличивается, а поле зрения сужается примерно в 1,33 раза, фокусировка изменяется, а предметы воспринимаются находящимися в 1,33 раза ближе к объективу. Появляется положительная дисторсия, составляющая ~15% при поле зрения 2рмакс = 60°. Кроме того, появляется хроматизм увеличения, быстро растущий с увеличением углового поля зрения. Ухудшается качество изображения в связи с рассеянием и турбулентностью среды.

Хорошее разрешение в водной среде может быть получено лишь на малых расстояниях, поэтому, чтобы получить достаточно большую площадь съемки, применяются широкоугольные объективы с углом поля зрения 70—100°, обладающие к тому же большой глубиной резкости.

Наиболее простой оптической системой является система с обычным объективом и плоскопараллельным иллюминатором. Плоскопараллельный ахроматический иллюминатор представляет собой пластину, склееную из двух стекол, имеющих одинаковые показатели преломления, но разные дисперсионные характеристики. Радиус склейки и дисперсии стекол выбираются таким образом, чтобы угловой хроматизм такого иллюминатора в воде практически отсутствовал, т. е. чтобы лучи с различной длиной волны после прохождения иллюминатора были параллельны.

Для увеличения углового поля зрения в воде можно поместить перед объективом телескопическую (афокальную) насадку, в качестве которой обычно используется система, состоящая из плосковогнутого отрицательного компонента, который служит одновременно иллюминатором, и положительного компонента. Ди-сторсия такой системы отрицательна, что позволяет компенсировать положительную дисторсию, вносимую водой.

Вносимые телескопической системой сферическая аберрация и астигматизм устраняются подбором конструктивных параметров и склейкой компонентов системы из разных сортов стекла с подходящими дисперсионными характеристиками.

Достоинством оптических систем с плоскопараллельным иллюминатором, ахроматическим иллюминатором и телескопической системой является их афокальность. Их оптическая сила равна нулю, и у них не изменяется задний отрезок, а также относительное отверстие объектива. У телескопической системы градуировка шкалы расстояний, сделанная на воздухе, не изменяется при съемке под водой.

У афокальных систем допуски на положение относительно объектива весьма свободны и составляют несколько миллиметров в продольном направлении и десятые доли миллиметра в поперечном направлении.

Эти свойства позволяют использовать такие системы совместно с обычными объективами, так как при этом не изменяется фокусировка и не требуется жесткая юстировка фотоаппарата относительно иллюминатора.

К недостаткам всех рассмотренных систем относится их пригодность только для объективов со сравнительно небольшими полями зрения (до 45°) при среднем относительном отверстии до 1:3.

В системе с концентрическим иллюминатором полностью отсутствуют дисторсия, хроматизм увеличения и уменьшения угла поля зрения в воде.

Концентрический иллюминатор вносит собственные аберрации, а именно: сферическую аберрацию и кривизну поля. В связи с тем, что концентрический иллюминатор имеет не нулевую оптическую силу, изменяется задний отрезок объектива, т. е. нарушается его фокусировка, а изменение фотограмметрического фокусного расстояния приводит к изменению масштаба изображения. Вносимые искажения тем меньше, чем больше радиус кривизны иллюминатора.

Хотя концентрический иллюминатор свободен от дисторсии, хроматизма увеличения и астигматизма, его изготовление представляет значительные технологические трудности.

Находят применение иллюминаторы в виде плосковогнутой линзы, передняя поверхность которой, граничащая с водой, плоская, а задняя близка к поверхности, концентричной зрачку входа объектива. Для того чтобы уменьшить вносимую сферическую аберрацию и сохранить масштаб изображения, приходится увеличивать размеры иллюминатора до 5—10 фокусных расстояний. К иллюминаторам указанных типов предъявляются жесткие требования к их юстировке относительно основного объектива. Допуски на юстировку как в продольном, так и в поперечном направлении составляют сотые доли миллиметра.

Иллюминатор плосковогнутый более пригоден для глубоководной съемки, так как он более прост в изготовлении, креплении, юстировке и его прочность выше, чем у концентрического иллюминатора.

Применение для целей подводной фотографии обычных широкоугольных объективов с вышеописанными иллюминаторами и коррегирующими устройствами позволяет получить угол поля зрения под водой 2рмакс = 45° при максимальном отверстии 1:2 и 50—90° при D/f= (1 : 4) —(1 : 6).

Функция светораспределения обычных широкоугольных объективов пропорциональна cos4|3, поэтому при поле зрения 60—90° светосила на краю поля составляет 50—20 % светосилы в центре.

Оптические системы, состоящие из обычных объективов с рассмотренными иллюминаторами и насадками, в силу присущих им недостатков являются малопригодными для решения исследовательских задач, так как к оптическим системам в этом случае предъявляются требования большего углового поля зрения в воде (порядка 2рмаКс = 70… 100° при светосиле 1,5—2,8), высокой равномерности функции светораспределения (Ф(45°) ^0,8Ф(0°)), высокого и равномерного разрешения по всему полю зрения.

Такими характеристиками обладают разработанные специально для работы под водой гидрообъективы, в которых вносимые аберрации компенсируются конструкцией самого объектива.

Современные гидрообъективы имеют большое поле зрения, доходящее до 180°, и могут применяться с плоскопараллельными, плосковогнутыми или концентрическими иллюминаторами. В отдельных случаях иллюминатором является передний элемент объектива.

Широкое применение в исследовательских системах находят стереофотосистемы. Стереоскопическая фотосистема обычно состоит из двух фотокамер, обеспечивающих принципиальную возможность получения стереоэффекта, базисного устройства, организующего взаимное расположение и ориентирование камер, светотехнической части, блока управления и контроля-. На борту обеспечивающего судна находятся блок управления, контроля и индикации и дополнительное оборудование для обработки, просмотра и хранения получаемых материалов.

Стереоэффект зависит от следующих параметров:
— стереоскопического базиса (расстояния между оптическими осями объективов);
— фокусного расстояния объективов;
— расстояния от фокальной плоскости до снимаемого объекта.

При правильно выбранных соотношениях параметров объемное изображение ортоскопично.

Стереоэффект усиливается с уменьшением расстояния до объекта при постоянном базисе и с увеличением базиса при постоянном расстоянии до объекта.