新型頭盔式消防用紅外熱像儀的設(shè)計(jì)

摘 要：頭盔式消防用紅外熱像儀因攜帶方便、輕便高效，逐漸被消防部隊(duì)所接受。本文圍繞一款新型頭盔式消防用紅外熱像儀的設(shè)計(jì)展開(kāi)探討?？偨Y(jié)了頭盔式熱像儀的現(xiàn)狀與不足，提出了總體設(shè)計(jì)三原則。以GA635標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)需求，確定了主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。綜合對(duì)比分析一體式結(jié)構(gòu)、目鏡獨(dú)立式結(jié)構(gòu)和三分式結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇三分式作為整體結(jié)構(gòu)方案。經(jīng)測(cè)試鑒定，新型頭盔式消防用紅外熱像儀的設(shè)計(jì)是科學(xué)、合理的。

關(guān)鍵詞：頭盔式；消防用紅外熱像儀；設(shè)計(jì)

消防用紅外熱像儀具有將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)換成可分辨圖像信號(hào)的功能，而被廣泛用于火情偵查、被困人員搜救、泄漏位置確定、火場(chǎng)清理、火災(zāi)調(diào)查等消防作業(yè)，是一項(xiàng)重要的滅火救援實(shí)戰(zhàn)裝備。消防用紅外熱像儀按佩戴使用方式可分為手持式和頭盔式（頭戴式）。頭盔式消防用紅外熱像儀（以下簡(jiǎn)稱頭盔式熱像儀）解放消防員雙手，有利于單兵戰(zhàn)斗力的充分發(fā)揮，符合消防單兵裝備“輕便化、集成化”發(fā)展趨勢(shì)，得到消防部隊(duì)認(rèn)可，配備使用力度逐步加大。作者團(tuán)隊(duì)研制了一款新型頭盔式熱像儀，文章將就新型頭盔式熱像儀的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與讀者交流探討。

1 現(xiàn)狀與不足

頭盔式熱像儀通常是指以消防頭盔為載體，將紅外熱像儀與之集成整合的一種紅外熱像儀。我國(guó)消防部隊(duì)配備使用的頭盔式熱像儀種類較多，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品兼有。調(diào)研了解到，實(shí)戰(zhàn)中頭盔式熱像儀攜帶便利、使用方便，但也存在不少需要進(jìn)一步改進(jìn)之處，主要包括：（1）災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的高溫和水易導(dǎo)致電子設(shè)備損壞，耐高溫、防水兩項(xiàng)性能須進(jìn)一步提高；（2）重量較重，消防員頭頸部易疲勞甚至損傷，須進(jìn)一步減輕重量；（3）微型顯示器作為目鏡在實(shí)戰(zhàn)中使用效果不佳，目鏡的顯示方式和結(jié)構(gòu)急需改進(jìn)。

2 總體設(shè)計(jì)原則

為更加符合實(shí)戰(zhàn)需要，進(jìn)一步提高使用效能，新型頭盔式熱像儀按照以下三原則展開(kāi)設(shè)計(jì)：（1）參標(biāo)原則。GA/T 635《消防用紅外熱像儀》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)消防用紅外熱像儀性能指標(biāo)及試驗(yàn)方法有明確規(guī)定，頭盔式熱像儀屬消防用紅外熱像儀范疇，其設(shè)計(jì)性能指標(biāo)應(yīng)不低于GA/T 635標(biāo)準(zhǔn)。（2）舒適原則。頭頸部是消防員相對(duì)脆弱的身體部位，頭盔式熱像儀要兼顧功能性和舒適性，減小體積、減輕重量、保持重心相對(duì)平衡。（3）頭盔無(wú)損傷原則。消防頭盔是消防員進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)必備的頭部個(gè)人防護(hù)裝備，頭盔損傷意味著防護(hù)性能降低。

3 主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)定

新型頭盔式熱像儀按照總體設(shè)計(jì)三原則，以GA635標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并結(jié)合部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)要求，確定了其主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。主要技術(shù)指標(biāo)包括：采樣幀速率、探測(cè)器類型、工作波段、重量、空間分辨力、噪聲等效溫差（NETD）、測(cè)溫范圍、溫度測(cè)量允許誤差、溫度漂移、連續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)間、特定環(huán)境溫度持續(xù)工作時(shí)間、抗跌落性能、外殼防水等13項(xiàng)。除“重量”指標(biāo)外，其余12項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)均參照GA635標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。對(duì)重量而言，現(xiàn)有手持式消防用紅外熱像儀重量大都在3kg左右，頭盔式熱像儀大都在2kg左右，消防部隊(duì)普遍反映現(xiàn)有頭盔式熱像儀重，長(zhǎng)時(shí)間佩戴頭頸部易疲勞。因此，作為新型頭盔式熱像儀的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，也是技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，將新型頭盔式熱像儀的“重量”指標(biāo)設(shè)定為“不大于1.5kg”，高于GA635標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“不大于3kg”。

4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型頭盔式熱像儀主要由主機(jī)、目鏡、連接固定裝置、電池和頭盔共五個(gè)主要部分組成。其中，紅外熱像儀主機(jī)是核心部分，包括機(jī)芯組件、鏡頭組件等；連接固定裝置是用于將紅外熱像儀主機(jī)與頭盔相連的機(jī)構(gòu)；頭盔用于承載紅外熱像儀。研究發(fā)現(xiàn)，提高頭盔式熱像儀佩戴舒適性除了減輕重量外，頭部負(fù)載重心平衡也十分關(guān)鍵。為此設(shè)計(jì)了三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較：

4.1 一體式結(jié)構(gòu)

一體式結(jié)構(gòu)將機(jī)芯、目鏡、電池等做成一個(gè)整體，再由連接固定裝置固定在消防頭盔上。使用時(shí)，將主機(jī)整體下翻至眼前方。如圖1所示。

一體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的連接機(jī)構(gòu)，易于操作，可靠性高；（2）可借鑒手持式紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體防護(hù)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的耐高溫、防水、抗跌落等性能的技術(shù)難度相對(duì)較小，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外軍隊(duì)、消防等行業(yè)頭盔式熱像儀大多采用此種結(jié)構(gòu)。

該設(shè)計(jì)不足之處在于：體積大、重量重，固定在帽檐上不利于頭盔重心平衡，容易導(dǎo)致頭盔前傾，增加消防員負(fù)擔(dān)。

4.2 目鏡獨(dú)立式結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)是將目鏡分離出來(lái)，主機(jī)和目鏡分別由連接固定裝置固定在消防頭盔的不同位置。使用時(shí)，只需將目鏡翻轉(zhuǎn)即可，主機(jī)不需翻轉(zhuǎn)，如圖2所示。其特點(diǎn)是：（1）重量分布較均衡，有利于穩(wěn)定頭盔的重心；（2）使用時(shí)僅需翻轉(zhuǎn)目鏡，翻轉(zhuǎn)部分體體積小，操作更方便且不易發(fā)生磕碰。

不足之處在于：部件、連接件增多，實(shí)現(xiàn)耐高溫、防水、抗跌落等性能的技術(shù)難度較大。

4.3 三分式結(jié)構(gòu)

在目鏡獨(dú)立式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，再將電源分離出來(lái)。該結(jié)構(gòu)中，電源不再固定在頭盔上而是掛在消防腰帶上，進(jìn)一步減輕了重量，主機(jī)和目鏡的重量更加接近，重心也更加平衡。

經(jīng)綜合分析比較，三分式結(jié)構(gòu)在減輕重量和平衡重心兩個(gè)方面更有優(yōu)勢(shì)，故選定三分式結(jié)構(gòu)作為新型頭盔式熱像儀的整體結(jié)構(gòu)方案。此外通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，消防員佩戴空氣呼吸器作業(yè)時(shí)，空呼器面罩會(huì)導(dǎo)致消防員眼睛無(wú)法貼近微顯示器，圖像效果大打折扣，故選用3.5寸液晶屏作為新型頭盔式熱像儀的目鏡。以此為基礎(chǔ)，完成了新型頭盔式熱像儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 新型頭盔式熱像儀設(shè)計(jì)圖

新型頭盔式熱像儀的設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

（1）主機(jī)和目鏡分別固定在消防頭盔左右兩側(cè)，有利于均衡分布重量，穩(wěn)定頭盔重心；（2）電池掛在消防腰帶上，減輕頭部負(fù)荷；（3）為便于調(diào)整觀察角度，主機(jī)可在±15°內(nèi)俯仰調(diào)節(jié)，如圖4所示；（4）目鏡位置可調(diào)，不使用時(shí)可放置在頭盔頂上，戰(zhàn)時(shí)再放下，攜帶更方便；（5）顏色采用黃色、銀色和黑色，整體效果協(xié)調(diào)美觀。

5 測(cè)試與結(jié)論

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性及產(chǎn)品性能，對(duì)生產(chǎn)加工出的新型頭盔式熱像儀實(shí)用產(chǎn)品（如圖4所示）開(kāi)展了一系列嚴(yán)格測(cè)試。新型頭盔式熱像儀的測(cè)試結(jié)果全部達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，已于2013年通過(guò)了國(guó)家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)，截止到文章刊發(fā)為止，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外頭盔式熱像儀產(chǎn)品中唯一符合GA635標(biāo)準(zhǔn)要求并取得檢驗(yàn)證書(shū)的產(chǎn)品，目前已配備消防部隊(duì)使用，得到官兵認(rèn)可。綜上所述，新型頭盔式熱像儀的指標(biāo)設(shè)計(jì)是科學(xué)的，基于三分式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

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作者簡(jiǎn)介：施巍（1981.8-）男，本科學(xué)歷，現(xiàn)攻讀同濟(jì)大學(xué)工程碩士。任職于公安部上海消防研究所，副研究員，研究方向：消防搶險(xiǎn)救援裝備技術(shù)。