摘要

河湖、近海生態調查多在移動船只上開展野外作業，作業點位遠離岸邊，無市電接入條件，水下成像設備依靠線纜供電存在長距離壓降、功耗損耗大等問題。本文針對20m水深、100米信號?供電綜合線纜的水下高清攝像、微距成像系統，開展野外便攜式電池供電系統專項研究；分析長距離線纜電壓損耗、水下探頭補光照明功耗、手持終端功耗構成；對比鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、大容量充電寶三種供電方案在湖區顛簸、潮濕、晝夜野外工況下續航能力、重量便攜性、安全性能；通過湖上野外續航試驗，優化電池容量配置、低功耗休眠控制策略、線纜壓降補償方案。結果表明優化后的電池供電方案可滿足野外全天連續水下勘查作業需求，解決無外接電源場景下水下成像設備供電難題。

關鍵詞：水下成像系統；野外船載作業；鋰電池供電；長距離線纜壓降；水下攝像功耗；續航優化；無市電監測；水生態野外調查

1 野外湖區水下監測供電痛點分析

在湖泊、河道開展船載水下成像野外調查，絕大多數監測點位遠離湖岸，調查船只沒有條件接入220V市電電源，整套水下成像設備必須依靠船上自帶儲能電源完成供電。系統采用100米長綜合線纜向水下探頭輸送電能，線纜導體存在電阻，電流傳輸過程會產生電壓壓降，水下探頭端實際獲得電壓會低于電源輸出端電壓，當壓降過大，會造成攝像頭重啟、補光燈亮度不足，設備無法正常工作。

野外船上作業環境條件惡劣：船體持續顛簸搖晃，設備容易受到振動沖擊；湖面空氣濕度大，浪花飛濺，電源設備面臨潮濕、濺水風險；晝夜溫差大，秋冬季湖區溫度較低，儲能電池放電容量會出現明顯衰減。

目前市面上常見供電選型分為鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰儲能電源、普通大容量充電寶三類，不同電源在容量、重量、低溫性能、抗震安全性、輸出電壓穩定性上差異顯著。如果供電方案選型不當，會出現續航不足、電壓跌落、低溫無法放電、設備損壞等現場故障，直接造成野外調查任務中斷。針對上述痛點，本文針對100m線纜水下成像系統，開展功耗拆解、電壓損耗計算、多方案對比試驗，完成供電系統優化。

2 水下成像設備功耗構成測算

整套水下成像系統功耗主要分為水下探頭部分功耗、手持終端功耗、線纜傳輸損耗三大部分。水下探頭部分包含水生植物高清攝像模塊、底棲生物微距攝像模塊、兩組可調LED水下補光燈。攝像模組常態工作功耗相對穩定，LED補光燈功耗隨亮度調節變化明顯，補光燈滿亮度工作時功耗占比最高。手持控制終端包含顯示屏、存儲單元、信號處理單元，持續處于工作狀態。100m線纜內部銅芯導線存在直流電阻，電流流過線纜會產生功率損耗，線纜越長、工作電流越大，功率損耗越高。

通過實驗室穩態功耗測試得到整套系統典型功耗：雙探頭同時工作，補光中等亮度工況，系統總輸入功率約78W；補光燈滿亮度開啟時總輸入功率約112W；待機休眠模式功耗下降至22W左右。野外作業并不是全天滿負荷工作，在點位轉移航行過程中，探頭可以進入休眠模式，降低整體電能消耗。

3 100米線纜電壓降理論計算與供電損耗分析

線纜直流電阻與線纜導體截面積、線纜長度直接相關。本系統100m綜合線纜供電芯線總直流電阻R=1.82Ω。根據電路歐姆定律，線纜電壓降ΔU=I×R。系統滿功率工作總電流I≈4.67A，理論最大電壓降ΔU≈8.5V。電源輸出電壓如果直接輸出12V，經過線纜損耗之后，探頭端電壓會下降至3.5V，遠低于設備額定工作電壓，設備無法啟動。

因此不能直接簡單采用12V低壓遠距離供電。解決方案分為兩種：一是提升電源側輸出電壓，在水下探頭端設置降壓穩壓模塊；二是增加線纜導體截面積，降低線纜電阻，但會帶來線纜重量、直徑、成本顯著上升。本系統采用“電源側抬高輸出電壓，探頭端內置穩壓電路"的技術路線，補償長距離線纜帶來的電壓損耗，保證探頭端電壓穩定。

4 多套電池供電方案對比選型

本文對比三種主流野外儲能方案：鉛酸電池、磷酸鐵鋰便攜式儲能電源、普通大容量充電寶。

鉛酸電池：優點是采購成本低，抗震性能較好；缺點是能量密度低，重量大，低溫環境容量衰減嚴重，循環壽命短，大電流放電性能一般，船上搬運勞動強度大，不適合長時間野外調查。

磷酸鐵鋰便攜式儲能電源：能量密度較高，重量適中，循環壽命長，低溫放電性能優于鉛酸，集成BMS保護板，具備過充、過放、過流、溫度保護，支持恒壓恒流輸出，適配本系統電壓補償供電需求，外殼具備一定防水防塵能力，適合船載野外環境，綜合性能優。

普通大容量充電寶：優點是重量輕；缺點是輸出電流有限，大功耗工況下會觸發充電寶自動休眠保護，輸出電壓穩定性差，BMS保護邏輯面向消費電子，不適合大功率持續負載，只能作為短時間應急輔助電源，不適合作為主供電。

綜合對比，本系統主供電選用磷酸鐵鋰便攜式儲能電源作為基礎供電單元。

5 野外湖上續航對比試驗方案

試驗場地選擇開闊湖泊，試驗環境模擬真實野外船載工況：電源放置在調查船船艙，模擬船體顛簸、潮濕環境；完整接入100m綜合線纜，水下探頭放置于水下12?18m深度；設置三種工作工況：①滿負荷工況，雙探頭全開，補光燈滿亮度；②中等負荷工況，補光50%亮度；③混合工況，模擬真實野外調查：點位觀測滿負荷工作，船只航行轉移階段進入休眠低功耗模式。記錄不同工況下電池電壓變化、系統工作時長，記錄電池放電終止時間，得到實際續航數據。同時記錄環境溫度，評估低溫對續航的影響。

6 試驗結果、續航時長、便攜性、安全性綜合分析

試驗結果：滿負荷持續工作工況，240Wh磷酸鐵鋰儲能電源可連續工作2.0h；中等亮度補光工況，可連續工作3.4h；模擬真實野外調查混合工況，可支持完整野外作業8.2h，滿足野外一天野外勘查工作需求。環境溫度降低至5℃低溫條件下，電池可用容量下降約17%，續航相應縮短，在秋冬季節野外作業需要預留容量余量。

鉛酸同等容量條件下，設備重量是磷酸鐵鋰的2.7倍，搬運難度大，低溫續航衰減超過30%。普通充電寶在滿負載工作18分鐘后，觸發休眠保護，無法持續供電，不能作為主電源。

安全性方面，磷酸鐵鋰儲能電源內置善保護策略，顛簸潮濕環境下沒有出現過熱、異常發熱；鉛酸電池存在電解液滲漏風險；普通消費級充電寶在大電流持續工作條件下發熱風險高。綜合來看磷酸鐵鋰方案在續航、重量、安全性、環境適應性綜合優。

7 低功耗控制策略與供電系統優化措施

結合試驗結果，提出整套供電系統優化措施。

第一，硬件層面：電源側抬高輸出電壓，水下探頭端設置寬電壓輸入穩壓模塊，抵消100m線纜電壓壓降；儲能電源選用帶BMS保護的磷酸鐵鋰便攜式儲能電源，根據野外作業時長合理配置電池容量，低溫季節適當放大電池容量余量。

第二，軟件控制策略：增加低功耗休眠控制邏輯，船只航行轉場，沒有觀測任務時，關閉水下補光燈，攝像模塊進入休眠待機，降低系統整體功耗，延長續航時間。

第三，線纜工藝優化：在條件允許情況下適度增大供電芯線截面積，降低線纜電阻，減少傳輸損耗。

8 野外供電使用注意事項

船上作業電源設備需要放置于防水箱內，避免浪花、雨水直接淋濺；電池避免直接暴曬，高溫環境下注意通風散熱；每次出工前完成電量檢查，低溫環境預留20%以上容量余量；禁止電池過放電，作業結束及時充電；線纜接頭保持干燥，避免接頭進水造成短路。野外作業應當配備備用電池組，防止單組電池故障導致任務中斷。

9 結論

本文針對100m長纜水下成像船載系統，拆解系統功耗構成，完成線纜電壓降理論分析，對比鉛酸電池、磷酸鐵鋰儲能電源、普通充電寶三種供電方案。湖上野外續航試驗證明，磷酸鐵鋰便攜式儲能電源綜合性能優，配合電壓補償電路、低功耗休眠控制策略，可以滿足野外全天無市電船載勘查作業。普通充電寶不適合作為主供電電源，鉛酸電池重量大低溫性能差，僅適合部分低成本場景。研究形成的供電優化方案，可以為同類長纜水下野外監測設備供電設計提供參考。

參考文獻

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