Details

Данная работа посвящена разработке бортового RGBW светильника, предназначенного для повышения качества видеосъемки при работе подводного дрона в водной среде с переменной прозрачностью. Цель работы заключалась в создании расчетно обоснованной модели малогабаритного источника света с управляемым спектральным составом, позволяющего изменять вклад красного, зеленого, синего и белого каналов в зависимости от условий наблюдения. В ходе исследования рассмотрены оптические свойства воды, процессы поглощения и рассеяния излучения, влияние взвешенных частиц, фитопланктона и растворенного органического вещества на спектральное ослабление светового потока. Выполнено сопоставление серийных подводных светильников, на основании которого обоснована необходимость применения RGBW структуры вместо источника с фиксированным белым спектром. Практическая часть выполнена в среде Zemax OpticStudio. Расчетная модель включает RGBW источник диаметром 6 мм, коллиматорную линзу диаметром 30 мм, формирующую линзу диаметром 50 мм, апертурную поверхность диаметром 60 мм, защитное стекло диаметром 64 мм и толщиной 3 мм, водный участок с показателем преломления n = 1,333 и контрольную плоскость радиусом 700 мм на расстоянии 1000 мм. Полный угол расходимости пучка составил 70°, суммарная электрическая мощность принята равной 18 Вт, расчетная оптическая мощность составила 4,50 Вт, мощность после защитного стекла составила 4,14 Вт, среднее облучение контрольной зоны составило 2,69 Вт/м². В результате моделирования получены трассировка лучей, матрица спектральных пятен, распределение освещенности и карта плотности мощности с максимумом порядка 5,40·10⁻³ Вт/мм² в центральной области пятна. Разработанная модель может применяться при проектировании опытного образца бортового светильника, подборе драйверов RGBW каналов, выборе оптического формирователя и разработке алгоритма управления яркостью для подводного дрона.

The present work is devoted to the development of an onboard RGBW light intended to improve video recording quality during underwater drone operation in an aquatic environment with variable transparency. The purpose of the work was to create a calculation-based model of a compact light source with a controllable spectral composition, allowing the contribution of red, green, blue and white channels to be varied depending on observation conditions. The study considers the optical properties of water, the processes of radiation absorption and scattering, and the influence of suspended particles, phytoplankton and dissolved organic matter on spectral attenuation of the luminous flux. A comparison of commercially available underwater lights was carried out, on the basis of which the need to use an RGBW structure instead of a source with a fixed white spectrum was substantiated. The practical part was performed in Zemax OpticStudio. The calculation model includes an RGBW source with a diameter of 6 mm, a collimating lens with a diameter of 30 mm, a forming lens with a diameter of 50 mm, an aperture surface with a diameter of 60 mm, protective glass with a diameter of 64 mm and a thickness of 3 mm, a water section with a refractive index n = 1,333 and a control plane with a radius of 700 mm located at a distance of 1000 mm. The full beam divergence angle was 70°, the total electrical power was assumed to be 18 W, the calculated optical power was 4,50 W, the power after the protective glass was 4,14 W, and the average irradiance of the control area was 2,69 W/m². As a result of modeling, ray tracing, a spectral spot matrix, illumination distribution and a power density map with a maximum of approximately 5,40·10⁻³ W/mm² in the central region of the spot were obtained. The developed model can be used in the design of a prototype onboard light, selection of RGBW channel drivers, choice of an optical beam-forming unit and development of a brightness control algorithm for an underwater drone.