随着海洋科技的迅猛发展，深海照明在军事、海底石油开发、矿产勘探等方面的需求不断增加。在深海(指超过1 000 m的海域)中，自然光(太阳光)几乎无法到达，微生物和悬浮颗粒的存在导致深海环境下的光被散射，射程缩短[1-2]，因此，深海照明技术的研发变得至关重要。深海环境变幻莫测的水温、巨大的压力[3]及海水的高腐蚀性[4]等因素，对深海照明装备的技术要求极高。
为了获得良好的照明效果，提高水下作业效率，发达国家纷纷开展深海照明研究。目前，深海照明技术已经取得了显著进展。发光二极管(LED)技术的应用提高了光源的亮度，并降低了能源消耗，为深海环境提供了可靠的照明选择。同时，激光照明(LD)技术也逐渐成为深海照明领域中功率密度和远距离照明方面的重要探索方向。目前，美国在LED深海照明设备研究方面处于世界领先地位，中国的深海照明技术也快速成长，从国产化到国产制造，相关技术已进入世界前列。
深海照明技术的应用领域非常广泛。在深海水生生物学研究方面，明亮的光源为研究者提供了清晰的观测条件，促进了对深海生物行为和生态系统的深入研究；在深海矿产资源勘探领域，高亮度照明系统为潜水器提供了更好的视觉条件，促进了对矿产样本的准确采集，推动了深海资源的开发；在深海油气管道钻井和检修方面，照明技术的进步提高了潜水器在复杂工作环境中的操作效率，确保了油气管道系统的可靠运行。因此，深海照明技术的研究不仅解决了深海环境下的技术难题，也为深海科学研究、矿产资源勘探和工程应用提供了关键支持，推动了深海领域研究的不断创新。本文对深海照明技术发展历程进行了总结，对比了目前国内外深海照明技术存在的差距，分析了深海照明技术的发展趋势，提出了未来技术升级的发展方向，以期为进一步推动海洋资源的发展和相关技术的应用提供有益参考。
1 深海照明的发展历程
1.1 深海照明灯具的发展
深海照明早期应用于深海载人潜水器及着陆器等深海装备[5-6]。1960年，美国“的里雅斯特号”(Trieste)载人深潜器首次到达了马里亚纳海沟10 912 m处[7]，其配备了3盏汞蒸气灯和1盏小钨丝灯协助观测海底动物和颗粒物，其中，2盏汞蒸气灯位于球体前方，1盏位于球体后方[8]。1964年，美国“阿尔文号”深潜器设计潜水深度为4 500 m，照明系统采用400 W功率金属卤素灯(HMI)和较小功率的氙气气体放电灯[9]；2007年6月，美国Deep Sea Power &Light公司(DSPL)研发的2 000 lm LED-SeaLites®灯具节能效果更好，3盏LED灯具的功率才达到1盏氙气灯的一半，相较于高功率的氙气灯，LED灯具能够在更低功率下提供相当的照明效果[10]。日本“深海6500号”、俄罗斯“和平1号”与“和平2号”和法国“鹦鹉螺号”深潜器同样达到6 500 m作业深度[11]，这些深潜器与美国“阿尔文号”采用相似的高功率HMI灯和氙气灯[12-14]。
中国是第5个自主研制超过6 000 m深潜器的国家。“蛟龙号”载人潜水器于2012年6月在西太平洋的马里亚纳海沟成功达到7 062 m的深度，标志中国打破了深海载人潜水器的技术封锁[15]，其中，照明系统配备了17盏灯具组成灯阵，包括卤素灯、HMI灯、HID灯和LED灯[16]。“深海勇士号”载人潜水器是中国第二台深海载人潜水器，同时也是中国第一台国产化率达到95%的载人潜水器[17]，其照明系统主要分为LED和HMI灯阵。2020年11月，“奋斗者号”在马里亚纳海沟成功坐底，深度达到10 909 m，使中国具备了进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力[6]，其照明系统也分为LED灯阵和HMI灯阵。配套摄影系统“沧海号”，配备了4盏HMI和12盏LED照明灯。表1为世界主要载人潜水器配置的照明灯具。
表1 世界主要载人潜水器照明灯具
Tab.1 Major manned submersible lighting around the world
型号vehicle设计潜深/mdepth of design照明灯具lighting国家country阿尔文号Alvin4 5006 500HMI,氙气灯,LED美国鹦鹉螺号Nautile6 000汞金属碘化灯,氙气灯法国和平号 Mir-1/Mir-26 000HMI,氙气灯俄罗斯深海6500号Shinkai 65006 500HMI,氙气灯日本蛟龙号Jiaolong7 000石英金属卤素灯,HMI,HID,LED中国深海勇士号Shenhai Yongshi4 500HMI,LED中国奋斗者号 Fendouzhe11 000HMI,LED中国沧海号 Canghai11 000HMI,LED中国
1.2 深海照明光源技术的发展
深海照明光源技术经历了传统照明技术、LED技术和激光照明技术3个阶段的发展历程(图1)，其技术水平和应用领域得到了不断拓展和提升。
图1 深海照明设备发展历程
Fig.1 Development history of deep sea equipment lighting
1)传统照明技术阶段。在深海研究早期，研究者主要使用传统的照明设备，如卤素灯、荧光灯和高强度气体放电灯(HID)等。这种照明方式存在亮度不稳定、光源体积大、启动时间长、能耗高和寿命短等问题[18-19]，在深海生物观察和深海矿产勘探等应用中具有一定的局限性。如美国DSPL公司的深海照明产品配合1991年“泰坦尼克号”残骸拍摄，在俄罗斯“和平号”载人潜水器上采用了8盏功率为1 200 W的HMI灯[12]。HMI灯的电弧处于浓度较高的汞蒸气和稀土卤化物(碘化镝、碘化亚铊)蒸气中，有类似日光灯5 600 K的色温，是一种具有高光效(75 lm/W以上)、高显色特性(显色指数80以上)和长寿命的气体放电光源。
2)LED技术阶段。随着LED技术的发展，其在深海照明领域得到了广泛应用。LED照明技术具有亮度高、寿命长、体积小和能耗低等优势，有效解决了传统照明技术的局限性。目前，LED照明技术已经成为深海照明的主流技术，并逐步代替传统照明技术[19]。2007年，Hardy等[20]对比了HID光源和LED光源在耐压封装和设计灵活性方面的优缺点，“阿尔文号”载人潜水器上采用的LED光源，达到了更高的耐压能力(图2)。
图2 “阿尔文号”载人潜水器[20]
Fig.2 Human occupied vehicle(HOV) Alvin[20]
“蛟龙号”载人潜水器照明系统配备了17盏水下照明灯，包括1盏石英金属卤素灯、4盏HMI灯、2盏HID灯和10盏LED灯，多类型照明设备组合为灯阵[16]。
3)激光照明技术阶段。1966年，美国海军在钻石岛站测试了RCA绿光激光器水下辐射功率的角度分布，并研究了与灯的距离关系[21]；1968年，Cousteau取得了激光技术的突破[22]，激光技术能够显著提升对比度和可见度，其在水下应用的优势主要体现在提高信噪比和照明比(特定区域照度与环境照度的比值)上[23]。Hodara等[24]对比了激光灯与其他4款灯在深海中的效果，总结了光谱和水的透光度匹配。激光技术在水环境下能够显著提升对比度和可视范围，从而有效提高观测效果。近年来，激光技术在深海照明领域的应用逐渐成熟。激光照明技术具有光束精细、能量集中等优点，受其限制，使用时需要采用严格的安全措施。目前，仅有小功率激光光源用于水下测量、指向和对齐等，图3为美国DSPL公司的激光产品Micro SeaLaser®和SeaLaser®100，其最大使用深度分别为水下6 000、2 000 m，可选择红色或绿色激光光源[25]，光源功率小于5 mW。
图3 深海激光产品[25]
Fig.3 Micro SeaLaser® and SeaLaser®100[25]
提升照明亮度和可靠性是深海照明技术的核心目标。当前主流深海照明光源是LED光源，由蓝光LED通过黄色荧光物质转化为白光，但存在光束角大、散射严重和照射距离近的缺点。因此，照明系统需要更高的亮度及照射距离以满足深海勘探和研究的需求。由于半导体激光器激发荧光陶瓷产生的光斑面积小，其芯片单位面积产生的输入电流可达到LED芯片的10倍，激光器通过二次配光设计进行阶梯式聚焦，可显著增加照射距离。
1.3 深海照明耐压技术的发展
在水下11 000 m深度，灯体表面将承受110 MPa压强，为保证在极端压力条件下正常使用，灯具的透光窗口及舱体必须采用先进的耐压技术。耐压舱体常采用铝合金、钛合金、钢等金属及有机玻璃、碳纤维和陶瓷等非金属材料制作耐压舱体[26]。其中，铝合金易加工，抗腐蚀性能好，舱体制造过程中常采用6061铝合金、7075铝合金等。钛合金强度好、密度低，适合对强度和质量有严格要求的深海灯具或其他部件的耐压舱[27]。
LED深海灯在舱体中采用填充硅油的湿舱技术以分散灯具外壳所承受的压力载荷，在深海灯应用领域，4 500～11 000 m深度的灯具外部压力达到450～1 100个大气压，外壳承受一部分压力，剩余压力通过液压原理传到内部电子元器件上，由于正装LED封装结构内部焊点采用的是金线或合金线，其荧光膜外部将直接承压，巨大的静态压力下应力会导致封装所使用的金线或合金线断裂及芯片失效。因此，需要采用倒装LED(COB)光源以满足光源封装器件适宜的高耐压要求，倒装器件的焊点承压可靠性高，不会导致芯片失效，但对于灯具内部元器件也会产生一定压力。
激光深海灯中的耐压布局则有所不同，半导体激光器不能承受外界环境压力，光学透镜组需要在空气中使用以有效汇聚光线，因此，激光深海灯采用干舱技术，通过外壳承受内外巨大的压力差，保护内部的光源和电源。蓝宝石透光罩是灯具出光部分，需衔接灯具外壳及海水环境，其厚度经过精确计算以确保灯具在深海极限压力下稳定工作。
1.4 深海照明灯具密封及防腐技术的发展
深海耐压舱一般采用密封结构与密封件结合的方式，其中，密封结构的设计要保证照明灯各个器件的精密度，而器件连接处使用的密封胶圈要与器件完美结合，以满足深海中的密封要求。为方便更换部件及维修，灯具设计为多段可拆卸结构，拆装后重新组合可能因工差等问题导致密封性不良，其原因在于密封圈的压缩量控制，需要采用氟橡胶材料的密封圈及工差匹配设计。
铝合金因其具有低密度、良好加工性、优异的导电导热性、良好的塑性及低成本等优点，已广泛应用于灯具的生产制造中。但铝合金自身形成的氧化膜难以抵抗深海环境中水温、pH、氧含量和静水压力[28]等因素变化造成的腐蚀[29]，必须通过表面处理提高其耐蚀性能[30]。
铝合金外壳灯具常采用硬质阳极氧化处理，在其表面生成厚度达几十到几百微米的氧化膜，是普通阳极氧化生成氧化膜的10倍以上，具有更强的耐海水腐蚀能力[31]。针对深海高盐度、低水温的使用环境，在防腐层制备的工艺窗口上也需要设定适应深海2～4 ℃低温环境的低温氧化工艺。
2 深海照明技术的应用
2.1 深海水生生物学研究
人类对深海独特环境生物的认识始于19世纪70年代，在此期间，英国“挑战者号”科考船使用拖网采集了大量底栖生物和沉积物样本[32-33]，由此开启了深海生物学研究。
2.1.1 国外研究现状 深海生物种类具有多样性，但由于特殊的深海环境，观察深海水生生物十分困难。然而，深海球体(Bathysphere)上搭载的传统照明系统和水下摄影系统解决了这一问题，上述系统能够提供高强度和高亮度的照明，以便研究者能够对深海水生生物进行定量研究和行为研究。这最早可以追溯到1930年Beebe和Barton等合作开发的深海球体(图4)[34]，这是一个用粗钢索连接在水面上的球形密闭钢舱，可以载人下潜到深海观察，球体内部配备了250 W的泛光白炽灯[35]。1934年Beebe乘坐该深海球体潜入水下最深922 m处，通过舷窗发现一条6 m长的不明鱼类存在。1935年Barton制造出新的深海球体，球体外部配备了1个1 500 W的聚光灯和1个小型高强度摄影灯，下潜深度达到1 370 m[35-36]，并捕捉到未知水母和虹吸虫的图像[37]，通过图像推测出这些生物的生活习性和生活环境。
图4 深海球体剖面图中的泛光灯[34]
Fig.4 Floodlights in the cutaway of the Bathysphere[34]
早期拍摄的水下底栖动物图片，还不能用于对深海生态系统的生态结构研究，还需要大量的详细调查取证，为此研究者研发了载人潜水器(HOV)、无人遥控潜航器(ROV)和自主水下航行器(AUV)等潜水器。自20世纪80年代以来，研究者开始使用HOV等潜水器进行深海调查，并收集了大量生物样本。
1977年，“阿尔文号”(Alvin)携带4盏400 W的HMI灯[38]，美国科学家在东太平洋加拉帕戈斯裂谷(Gal
pagos Rift)水深2 500 m洋底，首次发现海底深处的喷泉喷口附近由橙红色蠕虫、蛤、贻贝，以及许多个体大小不等的蟹和鱼等动物组成的深海热液生物群落[39]，证明无光合作用的深海区域有充足的能量供应。而热液喷口附近自养型微生物的存在刷新了人们对太阳是生物唯一能量来源的认知，同时提出了研究深海生物的数量、分布和行为(捕食、繁殖、交流)等课题，以深入了解深海生物的行为习性和集群结构，但对于生物活动的不干扰观察仍然是一个科学挑战。
观察海洋和水中生物通常需要明亮的白炽灯，但会干扰动物的生活习性。因为光照是影响水生生物生长与行为最重要的环境因子之一[40]，为了既能研究海洋生物又不干扰它们，研究者曾尝试使用红外照明，然而红外光在海水中迅速衰减，限制了观察距离。为了观察大型动物的自然状态，研究者尝试了红外照明和低光水平相机相结合的方法，以弥补光的衰减损失。2000年，Widder等[41]在蒙特雷峡谷的深海520 m处，利用“本塔纳号”(Ventana)无人遥控潜航器进行了一项关于黑貂鱼(Anoplopoma fibria)行为的现场观察，研究了不同光照条件下的情况(图5)。ROV Ventana配备了一台工作波长为700 nm的高感光度摄像机，4盏400 W的HID灯(DSPL公司)，其中2个安装了红色塑料滤光片，仅透过波长大于600 nm的光线。结果发现，在红光下观察到的鱼明显多于白光，在红光下每10 min观察到的貂鱼为38.9 次，而在白光下为7.5 次，且在两种类型的光照区域鱼停留时间短暂(红光为10.5 s，白光为6.6 s)。
图5 红光照射下诱饵箱附近聚集的黑貂鱼和盲鳗(ROV Ventana)[41]
Fig.5 Sablefish and hagfish clustered near the bait box under red light illumination (ROV Ventana)[41]
2003年，Widder等[41]在ROV Ventana试验基础上开发了深海之眼(EITS)深海观测站(图6)，利用长波LED照明进行生物观测。EITS由一台CCD摄像机和一束660 nm或680 nm LED照明光源组成，利用ROV Ventana将其放置在蒙特利峡谷600 m深处。结果发现，660 nm和680 nm的LED灯开始通常不会吓跑鱼，但大多数鱼在7.5 s内离开红光照明区，说明它们对红光感到不适。虽然实现真正不引人注目的观察需要更精确的照明，但红光相对于白光对深海鱼类的影响较小，并可与图像增强相机一起使用，能达到一定的试验效果。
图6 深海之眼(EITS)海底观测站[41]
Fig.6 Eye in the Sea (EITS) sub-sea observatory[41]
初期，科学家研究深度超过6 500 m的海沟生态系统，主要集中在单个类群(如片脚类动物)[42]，直到2012年，“深海挑战者号”(Deepsea Challenger)载人潜水器在海洋最深处马里亚纳海沟采集到大量高清视频录像和静态图像，对海沟生态系统的多样性有了更全面的了解。“深海挑战者号”照明技术有了进一步提升，配备了由26盏LED灯组成的灯阵，每盏亮度为3 000 lm，整体可以照亮长达30 m的距离[43]。在“深海挑战者号”下潜过程中拍摄到的底栖和底游分类群图像中，发现了以前从未报道过的一些生物——甲壳动物、栉水母和平足目海参等(图7)[44]，对它们的行为研究发现，这些生物是构成哈达尔群落的特征成员。该研究首次对马里亚纳海沟深渊的世界最深底栖生物群落进行了巨型动物群落分析，发现该群落由海参动物、片脚类动物和异藻组成。
A、B—乌贼蠕虫类多毛目动物；C—大型栉水母纲动物；D—甲壳动物(十足目或糠虾目)；E、F—木栖深海海星；G、H—东参科海参。
A，B—teuthidodrilus polychaete species；C—large hadal ulmarid cnidarian；D—crustacean (Decapoda or Mysidacea)；D—Munidopsis lauensis；E，F—Caymenostellid asteroids；G，H—Epidiid holothurians.
图7 “深海挑战者号”潜水器观察到的底栖生物和底游生物分类群[44]
Fig.7 Images of epibenthic and benthopelagic taxa are observed during the “Deepsea Challenge” submersible[44]
2.1.2 国内研究现状 中国的深海水生生物学研究起步较晚。20世纪70年代，中国开始研究潜水器，初期并未在深海研究中发挥重要作用。2013年，中国科学院海洋研究所李新正研究员参加了“蛟龙号”试验性应用[32]，由卤素灯、HMI灯、HID灯和LED灯组成的灯阵提供照明，于3 500 m海洋深处发现了不同颜色的海参纲动物、红色真虾、海百合和珊瑚等生物，标志着中国已具备了深海探测及深海生态学研究的能力。
2015年，中国研发的“海马号”无人潜水器(ROV)灯阵构成如图8所示，该潜水器装备有水下摄像系统，配备3盏50 W LED灯、4盏200 W卤素灯和2盏400 W HMI灯，其首次在南海北部4 500 m深处发现“冷泉”生态系统，并在探索区域发现了密集双壳类生物群落(图9)，该生物依赖甲烷气体生存，同时还发现冷泉区域一般是海底生命极度活跃的地区，并拍摄到冷泉中的独特生物(图10)[45]。
图8 “海马号”ROV灯阵构成[45]
Fig.8 Light array composition of the ROV “HAIMA”[45]
图9 “海马号”ROV发现的双壳类生物群落[45]
Fig.9 Bivalve communities discovered by the ROV “HAIMA”[45]
A—大眼深海章鱼；B，I—花状管虫；C—深海海参；D—潜铠虾；E—旗鱼；F—深海帝王蟹；G—贻贝；H—藻虾；J—陆源垃圾。
A—octopus with huge eyes；B，I—the flower-like tubeworms；C—the deep-sea cucumber；D—Munidopsis lauensis；E—the sailfish；F—the deep-sea king crab；G—Themussel colony；H—Lebbeus shinkaiae；J—land-based garbage.
图10 “海马号”ROV在科考中捕捉到的海马冷泉中独特生物图像[45]
Fig.10 Images of unique organisms in seahorse cold seeps captured by the ROV “HAIMA” during a scientific expedition[45]
2015年，“蛟龙号”(HOV)在南海冷泉区域发现了与其他同类动物明显不同的结构独特的新种——4个多头虫科标本[46]，促进了无脊椎动物的分类学和生物多样性研究。2019年，“深海勇士号”(HOV)搭载LED照明技术进行了高分辨率海底调查，结果发现，冷泉动物群的空间变化模式归因于甲烷和硫化物的供应[47]。2020年，中国的全海深载人潜水器“奋斗者号”搭载国产LED照明技术在马里亚纳海沟10 909 m深处发现了高密度新物种[48]，获得的样本与数据揭示了哈达尔海底群落的多样性和分布，极大地拓展了人类对哈达尔最深处动物多样性的认识。
2.2 深海矿产勘探
深海海底富含多金属结核、多金属结壳、硫化物矿床和铁锰结壳等矿藏。随着陆地资源的迅速消耗，人类对资源的需求开始转向海洋。由于深海开采技术的飞速发展和成本下降，深海开采矿产资源已成为可能[49]。目前，深海开采主要依赖智能化深海装备来获取高质量的环境样品和数据，包括HOV、ROV与AUV等运载装备及定点取样观测装置。
2.2.1 国外研究现状 随着陆地资源开采的日益枯竭，海洋成为人类社会实现可持续发展的战略空间和资源宝藏[50]。各种水下潜水器成为研究海洋环境和开发海洋资源的主要工具，ROV自1970年被开发出来后，其通过传统照明技术对深海环境进行了多方面的勘探和研究[51]。美国是较早开展载人潜水器研究的国家之一，1977年美国“阿尔文号”配备了美国海军研发的深海工作系统(Work Systems Package)，该系统由照明灯具、机械手和各种液压工具集成，可在6 000 m的海洋深度完成有意义的工作任务。该设备通过配备碘化石英泛光灯的微光电视摄像机[52] 发现，热液喷口附近有大量的硫化物发生沉积[53-54]。
自1987年以来，俄罗斯6 000 m级的载人潜水器“和平号”(MIR-1与MIR-2)配备了7个1 200 W的HMI(卤素-汞-碘)灯[12]，其在深海中发现了大量的铁、锰、镍、铜、锌和钴等金属结核及其他硫化物金属矿床，并发现热液金属硫化物易于开采和冶炼[55]。
2001年，“阿尔文号”HOV配备了7个400 W的HMI灯和1个1 200 W的HMI灯，该照明系统为“阿尔文号”提供了前所未有的能力，组合照明阵列能够照亮约50 m范围的海底区域[56]，有助于拍摄到高清多金属硫化物图像。
2.2.2 国内研究现状 中国的深海矿产资源勘探研究工作始于20世纪80年代[57]，初期关键技术及核心系统依赖进口，此时的深海照明技术处于摸索阶段。
2003年，广州海洋地质调查局首次在南海北部海域，利用传统照明技术(2盏氙灯)和海底摄像技术在3 000 m深海底发现了灰白色团块状沉积物质(图11)[58]，这种团块状物质是可燃冰分解产生的甲烷气体喷溢形成的，证实中国南海北部存在可燃冰。
图11 “阿尔文号”拍摄的富含硫化铁沉积物[58]
Fig.11 Iron sulfide-rich sediments photographed by Alvin[58]
2009年，中国研制的3 500 m级潜水器“海龙2号”ROV在东太平洋观察到一个罕见且巨大的富含硫化物的高温热液区，通过“海龙2号”搭载的6个泛光照明灯和2个高亮度HID灯，成功采集了“黑烟囱”喷口的硫化物样品，这标志着中国首次使用高精尖的水下照明技术进行了矿产资源调查和取样。
2013年，“蛟龙号”搭载了LED照明技术，主要由5盏60 W LED灯、8盏250 W LED灯阵和6盏400 W HMI灯组成[59]，其首次在西北太平洋5 000 m深处发现富钴结壳[60]，并在西北印度洋热液区成功获取高质量海底矿物和环境数据[61]。
2015年，4 500 m级“海马号”ROV采用照明灯阵(3盏50 W LED灯、4盏200 W卤素灯和2盏400 W HMI灯)，首次发现了甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳(图12)和渗漏等活动性“冷泉”标志[45]。
图12 “海马号”抓取生物化学礁样品和碳酸盐结壳[45]
Fig.12 “HAIMA” grabs biochemical reef samples and carbonate crusts[45]
2020年，全海深载人潜水器“奋斗者号”的成功研发标志中国的深海资源勘探装备从国产化到国产造，其搭载了自主研发的万米级LED深海照明装备[57]，在西菲律宾盆地7 700 m的海底采集到了具有高保压率的沉积物样品(图13)[62]，这对深海矿产资源的形成分布和勘探具有重大意义。
图13 “奋斗者号”取样设备和沉积物取样操作[62]
Fig.13 Sampling equipment and sediment sampling operations of “Fendouzhe” HOV[62]
综上，深海照明技术能够提供足够亮度的照明进行样本采集，可提高矿产样本的成像质量和采样效率。在确保基础照明功能的同时，深海照明技术还支持深海矿产勘探的环境监测。通过监测深海环境的变化，研究者可以更好地了解深海矿产的形成和分布规律，有助于更准确地预测深海矿产的分布和储量。
2.3 深海油气管道监测
随着全球能源需求增加，深海油气开发成为能源供应的重要领域，其中，深海管道作为输送石油和天然气的关键基础设施备受关注。在深海油气管道建设中，深海照明技术发挥着关键作用，其可支持管道的铺设、连接、测试，以及生产期间的检测和维护。深海油气开发中，由于管道是成本最高、规模最大和安装最广泛的部分，因此，对其进行监测和维护至关重要。ROV在海底管道维护方面通常用于泄漏检测，且不受管道几何形状的限制[63]。
2.3.1 国外研究现状 1975年，美国“RCV-125”型ROV在北海油田和墨西哥湾首次投入使用，其利用传统照明技术进行了水下管道连接与辅助水下钻井作业[54，64]。1984年英国“Scorpio”ROV配备6盏250 W的白炽灯对地中海水深610 m的现有管道进行检查(图14(a))[65]。
图14 “Scorpio”ROV管道检测[65]和Fluorotrak系统立式油管泄漏检测[66]
Fig.14 Pipeline inspection by “Scorpio ”ROV[65] and fuel line leak detection by Fluorotrak vertical[66]
2004年，英国McStay等将基于LED照明技术投射结构光的Fluorotrak系统安装在ROV Comanche上，并成功应用于加拿大石油公司在北美东海岸运营的海底控制系统完整性调查[66]。Fluorotrak海底泄漏检测系统以功率150 mW的LED阵列为光源，发射430～500 nm波长的光。通常以750 Hz进行调制，通过透镜系统和带通干涉滤光片，投射成圆形或椭圆形光束。光束照射水体形成激发体积，相对应波长的荧光材料被激发出荧光，用于检测海底数米范围内的荧光素和液压油泄漏(图14(b))[66]。
2015年，挪威专业测量ROV Survey首次进行了测试，配备了56 000 lm的LED闪光灯6盏和28 000 lm的LED灯6盏，能提供高速精准的摄像测量数据[67]。ROV处于管道上方5.5 m，速度为2.3 m/s，可利用高精度摄像机拍摄多张静态照片，分析管道状态(图15(a))[67]。目前，该设备已用于北大西洋50～1 200 m深度的管道检查。
图15 ROV Survey[67]和ROV Seaeye[69]拍摄的管道
Fig.15 Pipeline photos taken by ROV Survey[67] and ROV Seaeye[69]
2.3.2 国内研究现状 ROV已经成为国际通行的海底管道巡检技术，中国的ROV在探测技术、工艺、导航与定位技术方面均与国外存在一定差距，使用的轻型ROV绝大部分为进口产品[68]。
2016年，研究者使用“Seaeye 915 PLUS”型ROV对南海某平台附近深度为60～70 m的海底管道进行探测，这是由英国制造的轻型工作级ROV，搭载LED照明技术，其可以清晰观察到管道的状态(图15(b))[69]，并反馈管道分布的探测结果。
3 深海照明技术的发展趋势
近年来，深海照明技术由内到外不断完善和发展，创新方向包括水下光学系统、高光效半导体光源、新型防腐技术、灯阵技术、智能化照明控制技术、多功能一体化技术和绿色环保技术等方面(图16)。
图16 深海照明技术的创新发展方向
Fig.16 Innovative directions in deep-sea lighting technology
3.1 水下光学系统
深海照明的核心技术组成部分是水下光学系统，对光场的调控直接影响到深海照明的效果和可行性。在水中，光线传播受固有光学性质(IOP)和外显光学性质(AOP)影响，较空气中衰减得更快。其中，IOP与介质特性相关，主要涉及光的吸收和散射，光偏离直线传播，并在传播过程中损失能量转换为热能或化学能，导致光衰减。AOP与介质和周围光场相关[70]，反映了IOP在具体环境中的表现。在可见光谱范围内，水分子主要吸收波长为700 nm左右的红光，因此，水体颜色外显为深蓝色。这是因为水对红光的吸收较强，而蓝色光能够穿透更深的水层，显得深邃而呈蓝色。在深海中，水的IOP受水体中的溶解有机物、悬浮颗粒等因素影响，这些因素会导致水体对不同波长的光产生吸收和散射。悬浮在水中的颗粒(如悬浮物和浮游生物)引起散射，特别是在蓝光波段较为显著，这也是导致深海水体的外显光学性质呈现蓝色的原因，同时散射会降低水中的透明度。反射率是AOP的另一个关键因素。水面反射率较低，这是因为深海水体吸收或散射大部分光线，使得水面相对较暗。底部反射率受到底部地形和物质的影响，不同的底部类型可能引起光线反射的差异，进而影响水体的外观。
在过去的20年里，辐射传递理论取得了重大进展，只要给出固有光学特性(IOPs)和周围光学环境，就能对水下光场进行逼真的数值模拟[71]。由于求解全辐射传递方程需要大量计算工作，Liu等[72]通过结合两模型的创新方法，进行了海洋颜色遥感的水下光场数值模拟。第1个模型重获IOPs光谱，包括吸收和后向散射系数；第2个模型基于检索到的IOPs与光学环境信息，以及改进高精度的查找表(LUT)技术，计算垂直均质水柱的E0，PAR(z)分布。Solonenko等[73] 使用经验生物光学模型通过玻尔兹曼模拟，获得自洽的IOPs、Jerlov水类型及相应叶绿素浓度，适用于水下光通信和遥感。Sticklus等[74]使用Hydrolight模拟辐射传输，计算得出3种类型水的光谱下降辐照度随水深的下降，光谱范围为400～700 nm，且与浮游植物最为相关。
国内多所高校在光场仿真方面重点研究了其建模理论方法及仿真逼真性与实时性问题：中国海洋大学提出了非均匀照明光场的概念，并推导出相应的光场分布模型，验证了非均匀光场水下观测方法，并对其能见度性能进行观测，测出最大视距Lmax[75]。西北工业大学给出一个水下光场及流动光影效果的计算机模型，基于海洋光传输特性，建立Monte-Carlo模型，实现了风海波下水下光场的二维和三维可视化与实时阴影流动计算[76]。中科院基于辐射传输理论，发展了水下光场Monte Carlo模型，并经GPU加速验证提高了模型的精度[77]。
未来照明技术研究方向中深海环境中的光场分布设计是发展趋势，考虑海水折射、海水吸收和浮游生物散射等因素，光场分布设计需考虑光角度和光通量的偏差，使其更加适应深海照明的需求。
3.2 高光效半导体光源
高光效半导体光源与水下光学系统相互依赖，深海照明需要高亮度的光源，以确保足够的可见性。近年来，半导体光源(如LED技术)已经成为一种主要选择，近期激光照明正逐渐兴起，半导体激光光源的光效取决于光源的电光转换效率、荧光粉激发效率和二次光学系统的收集效率，从这些方面进行突破可提高激光照明的出光效率。以上关键技术成熟后，将在深海照明领域大规模应用。
3.3 新型防腐技术
深海环境对设备的腐蚀和损坏具有挑战性，新型防腐技术是确保照明系统长期稳定运行的关键。防腐问题和高光效半导体光源有关，因为腐蚀可能会影响光源的寿命和稳定性。随着新型材料的不断发展和应用，纳米材料的防腐涂层能提供更大的表面积来减缓腐蚀速率，并通过传感技术实时监测涂层的腐蚀程度和性能。此外，自修复涂层的发展是一个关键方向，对受损部分进行修补，可延长使用寿命，提高系统的稳定性。
3.4 灯阵技术
深海照明技术需要更高效、灵活和可持续的照明能力。单一照明灯具已不能满足实际需求，需要使用多个灯具组成灯阵。每个照明灯具的位置分布决定了深海环境的照明效果，因此，深海照明灯阵的设计将更加注重灯光布局的优化。通过合理的灯光分布和定位，可实现更均匀和更稳定的照明效果，减少阴影和光线不均匀性，提高深海环境下的观测和作业质量。
深海照明灯阵可具备更灵活的多方向照明能力，通过灯光的旋转、调节和定向控制，实现更广泛的照明，以适应不同的任务需求。由于不同波长的光在水中的传播和吸收特性各异，深海照明灯阵可能发展成为多波长光源的系统，实现更具适应性的照明系统。
3.5 智能化照明控制技术
随着深海勘探和生产的发展，能源效率显得至关重要，这对深海照明灯阵系统的智能化和自适应性要求越来越高。灯阵将进一步发展为自适应照明控制技术，根据环境条件和任务需求自动调整照明参数。如根据水质、深度和目标距离等因素，自动调整照明强度、光束角度和波长，以提供最佳的照明效果。深海照明灯阵系统将采用更先进的传感技术和控制技术，包括对光环境的感知、水质实时监测和目标识别追踪，以实现照明亮度的自适应调节和智能化控制。这样的系统能够根据深海环境的变化和任务需求，自动优化照明参数，以提高深海工作的效率和安全性。该类系统将会更注重各灯具间的高效协同，优化能源管理系统，实现节能降耗，推动资源探索和深海科学研究的发展。
3.6 多功能一体化技术
在智能化控制照明技术的基础上，深海照明系统将采用多功能一体化的集成设计，实现照明、通信、数据传输等多种功能一体化。如将深海照明系统与深海监测系统、有缆遥控机器人系统(ROV)等深海设备集成，以实现深海勘探、生产和管理的全面自动化和智能化。
3.7 绿色环保技术
绿色环保技术是未来海洋照明技术的发展趋势之一，深海环境的保护是海洋资源开发过程中考虑的重要因素。绿色环保技术可涉及能源可持续性、废物处理等方面，在核心技术的基础上，其与新型防腐技术、灯阵技术、智能化照明控制技术和多功能一体化技术多重关联，以确保照明系统的环保性能。未来的深海照明系统将会采用环保材料和绿色光源，利用更加环保、节能的技术，不仅能够提供强大的照明效果，还能够减少能源消耗和碳排放。相比传统的卤素灯和荧光灯，LED光源不含汞等有害物质，减少了对海洋生态环境的潜在危害。此外，利用太阳能、风能等可再生能源为深海照明系统提供能源，也可以有效地减少对海洋环境的污染。
4 存在问题及展望
4.1 存在问题
深海照明技术在光源、灯具耐压和灯具防腐等方面仍面临一些挑战。在深海极端条件下，仍需提高光源的稳定性和适应性，以确保光照质量在深海环境中能够持续维持；深海中的高压要求灯具具有更高的耐压性，故需要寻找新耐压材料；深海环境的腐蚀性一直是科学难题，如何延长设备的使用寿命，保证稳定性，也是研发人员待解决的问题。
4.2 展望
4.2.1 防腐材料的研发 深海照明技术未来的发展方向之一是采用新材料进行防腐。防腐问题直接关系到照明设备的寿命和性能，而且深海环境对设备的腐蚀影响较为严重，因此，新材料的防腐应用是深海照明技术急需改善的方向。由于深海环境中存在极端的盐度、温度和化学环境，灯具长期暴露于这样的条件下容易受到腐蚀。然而，目前并无统一的国际标准来规定特定情况下灯具的使用寿命或者性能下降的具体数值。如窗口透镜的腐蚀，透光率的下降会影响灯具的照明效果，同样，透光率下降到何种程度被认为不可接受，通常需要根据具体应用和设计要求进行评估。目前，一些深海照明灯具采用耐海水腐蚀的不锈钢、铝或钛合金材料，但随着深海勘探的深入，这些材料可能仍不足以满足长期深海使用的需求。研究人员可探索使用更先进的聚合物涂层、陶瓷材料等，以提高灯具对海水腐蚀的抵抗能力。
4.2.2 高散热性能材料的研发 深海环境中温度变化较大，灯具需要具备良好的散热能力，以防止过热损坏。一方面，未来研究者将致力于开发更先进的散热材料和结构，如高导热率的金属合金或新型散热涂层。这些材料可以有效地将灯具产生的热量传递到周围的水域中，使灯具能够自适应深海环境中的温差变化，确保其在长时间运行中稳定可靠；另一方面，研究者可通过加强表面微结构设计提高散热性能，通过微观结构设计，增加散热表面积，提高热量的散发效果。微结构表面可以采用纳米技术，使得表面具有更大的热交换效能，以提高整体的散热性能。
4.2.3 耐压材料的研发 深海照明技术还将推动耐压材料的进一步发展。潜水器在深海中承受极大的水压，其需具备出色的耐压性能。未来的耐压材料将更加轻量化、高强度，因此，需寻找新型的纳米复合材料或高强度金属合金等先进材料。如金属玻璃是一种非晶金属材料，具有良好的抗腐蚀性和耐压性能，其非晶结构使其在极端深海条件下更加耐用，可用于制造一些深海设备的结构件。这些材料能增加设备在深海区域的适用性和稳定性，以应对更深层次的深海勘探和科学研究需求。
4.2.4 光源技术的改进 光源技术的改进可以提高照明灯具的照射距离和效果，对于深海勘探的可视化具有关键意义。新一代的光源技术将能够提高照明灯具的照射距离，如更先进的激光技术。采用高功率LED光源可以提高照明亮度，而激光技术则可以实现更为聚焦的光束，增加照射距离，使其更适应深海中不同作业深度的需求。同时，自适应光源技术针对光源散射问题的改进将带来更清晰、更集中的光束，根据水体的散射情况和深度，调整光源的波长和光强，通过二次光学系统，以获得更好的照明效果，有效消除光线在水中的散射，有助于提高照射距离和清晰度。
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