一種主動(dòng)紅外夜視攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賈世奎，張 軒，楊 凌，陳 博，徐亞蛟

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

一種主動(dòng)紅外夜視攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賈世奎，張 軒，楊 凌，陳 博，徐亞蛟

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于艦船甲板上的主動(dòng)紅外夜視攝像系統(tǒng)，其獨(dú)特的密封結(jié)構(gòu)使其適合在復(fù)雜惡劣的環(huán)境條件下使用。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，闡述了該防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和密封、電磁兼容、散熱等方面的具體解決方法，特別是密封、視窗玻璃設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)電磁兼容試驗(yàn)、環(huán)境條件試驗(yàn)和工程實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)，證明其具有很好的綜合防護(hù)性能。

攝像；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三防；電磁兼容；熱設(shè)計(jì)

0 引 言

某主動(dòng)紅外夜視攝像系統(tǒng)，工作于艦船甲板上。該系統(tǒng)是由基于紅外發(fā)光二極管（IRLED-Infrared）的紅外陣列，配合鏡頭、視頻采集、視頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等模塊組成的系統(tǒng)。海面高濕和鹽霧環(huán)境，要求其必須達(dá)到國(guó)軍標(biāo)相應(yīng)的三防要求，同時(shí)具備良好的電磁兼容性。根據(jù)成像的特殊功能要求，在該環(huán)境下其外殼防護(hù)罩必須全密閉，由于防護(hù)罩內(nèi)有主動(dòng)紅外LED陣列、電源等高發(fā)熱器件，因此該系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)與防護(hù)性設(shè)計(jì)成為矛盾，妥善處理成像性能要求和三防、電磁兼容性、散熱之間的關(guān)系，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文針對(duì)該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，采用了雙密封墊結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)整體具有優(yōu)良的三防和電磁兼容性能，妥善處理了視窗玻璃透光率和電磁兼容性矛盾，并通過(guò)Ansys軟件對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算和設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過(guò)了環(huán)境條件試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，后經(jīng)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，證明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠很好的滿足使用要求。

1 三防技術(shù)

由于潮熱、鹽霧、霉菌3種環(huán)境因素對(duì)電子產(chǎn)品有較大影響，因而把它們稱為三防技術(shù)。目前主要采取材料防護(hù)、工藝防護(hù)、結(jié)構(gòu)防護(hù)、隔離防護(hù)4種三防措施[2]。

針對(duì)該系統(tǒng)使用要求，外殼防護(hù)罩采用整體密閉式結(jié)構(gòu)，裸露在外的材料采用適用于海上環(huán)境的022Cr17Ni12Mo2不銹鋼材料，所有螺釘均采用0Cr18Ni9不銹鋼材料。主體結(jié)構(gòu)采用氬弧焊焊接而成，焊接完成后進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，保證焊縫處不漏氣；外殼殼體上螺釘孔設(shè)計(jì)加工為盲孔，防止潮氣從螺紋孔進(jìn)入內(nèi)腔。上蓋與外殼殼體接縫處采用雙層密封結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，首先采用密封和耐酸堿耐老化等各項(xiàng)性能優(yōu)異的氟橡膠墊密封；其次，內(nèi)層采用導(dǎo)電的O型銀鋁橡膠圈，同時(shí)也滿足外殼防護(hù)罩電磁屏蔽的要求。密封橡膠墊的緊固壓力要適中，壓力小，橡膠墊的變形不足導(dǎo)致密封不嚴(yán)；壓力大，密封效果得不到改善且橡膠條容易被擠出、或使外殼上蓋變形導(dǎo)致密封失效。本安裝結(jié)構(gòu)密封橡膠墊在壓緊狀態(tài)下的變形量控制在15%～30%。同時(shí)針對(duì)密封端面的不平度和表面粗糙度過(guò)大常可使防護(hù)罩發(fā)生滲漏現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)、制造的過(guò)程中控制裝配端面的加工精度，裝配面的平面不平度不得大于0.1 mm，表面粗糙度Ra不得大于0.03 mm。

在光學(xué)視窗方面，外層采用優(yōu)質(zhì)石英玻璃，安裝結(jié)構(gòu)如圖1（b）。外層結(jié)構(gòu)密封采用703硅橡膠與外殼殼體粘接為一體，內(nèi)層采用導(dǎo)電銀鋁橡膠墊，并采用壓板進(jìn)行螺釘緊固安裝。壓板采用6061鋁合金板材加工成型，并進(jìn)行H.DY處理，保證了表面良好的導(dǎo)電性能，使視窗玻璃與外殼有機(jī)結(jié)合為一體，從而保證系統(tǒng)具有優(yōu)良的三防性能，同時(shí)大大提高了系統(tǒng)的電磁兼容性能。

此外，為防止潮氣從緊固航空插座的螺釘孔進(jìn)入護(hù)罩內(nèi)部，在外殼殼體上焊接內(nèi)凸臺(tái)，螺釘孔加工為盲孔，圖1（c）所示。選用防水密封型的航空插座，航空插座和外殼殼體間加銀鋁橡膠膠密封圈，內(nèi)部再用703硅橡膠灌封。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)

電磁兼容設(shè)計(jì)是外殼防護(hù)罩設(shè)計(jì)的重要組成部分，設(shè)計(jì)初期就應(yīng)考慮到，以免在隨后的設(shè)計(jì)、制造、使用過(guò)程中走彎路。概括來(lái)講，電磁兼容性設(shè)計(jì)的基本手段主要有屏蔽和抑制干擾，屏蔽包括電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽、電磁場(chǎng)屏蔽等；抑制干擾通常采用濾波、正確選用無(wú)源元件、電路優(yōu)化設(shè)計(jì)等措施。如圖1所示，為使該系統(tǒng)的電磁兼容性能符合GJB151B-2013的相關(guān)要求，主要采取以下一系列措施：防護(hù)罩的金屬結(jié)構(gòu)有效地將內(nèi)部核心組件與外部電磁隔離；夾層金屬網(wǎng)的視窗玻璃結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)能夠滿足光學(xué)透光率要求的同時(shí)具有優(yōu)良電磁屏蔽性能；用作防護(hù)罩端面部位密封的優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電銀鋁橡膠密封條，可使防護(hù)罩保證良好的整體電導(dǎo)通性能；防護(hù)罩內(nèi)所有電氣組件均通過(guò)金屬支架與外殼防護(hù)罩緊密接觸，保證良好接地；航空插頭選用高品質(zhì)軍用型號(hào)，使用帶屏蔽層的線纜；在電源入口處配置專用濾波器。

2.1 屏蔽設(shè)計(jì)

由不銹鋼制成的防護(hù)罩能達(dá)到屏蔽要求，因?yàn)樗哂休^高的電導(dǎo)率（0.1），且相對(duì)磁導(dǎo)率為140，這使得鋼適宜作為磁場(chǎng)屏蔽材料。增加屏蔽材料的厚度也將改善屏蔽效能，但較大的厚度將受到制造工藝和系統(tǒng)總重量的限制。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，外殼殼體和上蓋主體壁厚設(shè)計(jì)為2 mm，既能滿足系統(tǒng)電磁屏蔽要求，同時(shí)也能達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量要求。

在光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)中，不僅要考慮窗口電磁屏蔽性，還要考慮玻璃窗口的透光率和環(huán)境適應(yīng)性要求。經(jīng)調(diào)研，確定采用雙層光學(xué)玻璃結(jié)構(gòu)，如圖2所示，中間夾層為進(jìn)口不銹鋼鋼絲網(wǎng)（100目），一方面不以犧牲透光率為代價(jià)來(lái)增加視窗玻璃的屏蔽能力；另一方面通過(guò)這種手段，大大提高了視窗玻璃的抗沖擊性能，滿足了系統(tǒng)的性能要求。該結(jié)構(gòu)視窗玻璃在30 MHz～1 GHz頻段內(nèi)，屏蔽效能在50～60 dB以上，透光率可達(dá)80%以上。

2.2 電源濾波設(shè)計(jì)

對(duì)電源的濾波，最直接有效地方法就是在開(kāi)關(guān)電源輸入電路中加裝電源濾波器。電源濾波器是具有互易性的，既可以濾除電源端口來(lái)自于外界的干擾，也能濾除來(lái)自產(chǎn)品內(nèi)部的騷擾。為達(dá)到有效抑制干擾和騷擾信號(hào)的目的，設(shè)計(jì)如圖3所示的安裝結(jié)構(gòu)。將電源濾波器前端電源線進(jìn)行屏蔽處理，以解決內(nèi)部高頻的輻射騷擾通過(guò)空間與電源輸入線的耦合問(wèn)題。

2.3 電磁兼容試驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)EMC試驗(yàn)室里，采取了上述綜合措施的系統(tǒng)進(jìn)行了10 kHz～18 GHz電場(chǎng)發(fā)射測(cè)試（RE102）和10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試（CE102），測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示。

從圖中可看出，系統(tǒng)達(dá)到了GJB151B-2013的要求。另外，在進(jìn)行CE101、CS101、CS114、CS116、RE101、RS101、RS103等項(xiàng)目的測(cè)試中，系統(tǒng)的測(cè)試均取得了較好的效果，滿足GJB151B-2013對(duì)水面艦艇甲板上使用系統(tǒng)的要求。

3 綜合熱設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的總體要求是保證系統(tǒng)成像功能和高溫下可靠工作的同時(shí)，盡可能降低溫度，使系統(tǒng)的重量、加工成本控制在低限。現(xiàn)將系統(tǒng)內(nèi)部主要發(fā)熱功能器件介紹如下：1）紅外LED陣列，最大工作功率60 W，耗散熱為40 W，其可靠工作最高溫度+125 ℃；2）攝像CCD模塊，最大工作功率6 W，耗散熱為6 W，其可靠工作最高溫度+70 ℃；3）1個(gè)電源，額定功率120 W，效率為82%，最高耗散熱14.5 W，其可靠工作最高溫度+70 ℃。

3.2 熱設(shè)計(jì)方法措施

由以上系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)要求可以看出，系統(tǒng)的熱量密度很大，而該外殼又是全密封結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何保證高效散熱，有效控制功能模塊器件的溫度，使其能夠在所要求的環(huán)境條件下工作時(shí)不超過(guò)規(guī)定的最高許用溫度。為了提高散熱效率，對(duì)該系統(tǒng)采取措施如下：

1）LED陣列印制板熱設(shè)計(jì)。根據(jù)溫控指標(biāo)與銅箔層厚度確定導(dǎo)線的寬度，以提高散熱、導(dǎo)熱的能力，并采用鋁材料作為印制板基材。進(jìn)一步安裝時(shí)將LED陣列印制板安裝在6061鋁合金支架上，同時(shí)在印制板和支架之間填充導(dǎo)熱硅脂，以消除空氣間隙，降低接觸熱阻，使LED陣列產(chǎn)生的熱量迅速傳到支架上，進(jìn)而傳導(dǎo)到防護(hù)罩殼體上。

2）改善系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于密封式系統(tǒng)中，內(nèi)部空氣對(duì)流傳熱較困難，傳導(dǎo)和輻射就成為主要散熱手段。設(shè)計(jì)中讓熱源通過(guò)導(dǎo)熱硅脂直接與安裝支架連接，使散熱路徑最短、熱阻最小，避免熱量在箱體內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)。同時(shí)防護(hù)罩外殼內(nèi)壁進(jìn)行表面噴黑色丙烯酸漆處理，LED陣列、CCD模塊和電源外表面加工為粗糙表面，同時(shí)進(jìn)行H.DY黑色處理，增強(qiáng)輻射傳熱能力。

3）提高防護(hù)罩對(duì)外傳熱能力。在防護(hù)罩上蓋上加裝6061鋁合金材料肋板散熱片，提高防護(hù)罩整體對(duì)外散熱面積；散熱片表面黑色陽(yáng)極氧化處理，進(jìn)一步提高其輻射散熱能力，同時(shí)提高其三防能力；搭接面填充防水導(dǎo)熱材料。

3.3 整體溫度場(chǎng)仿真

為驗(yàn)證上述措施的效果，運(yùn)用Ansys軟件對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)溫度仿真試驗(yàn)。建立三維實(shí)體模型，并根據(jù)系統(tǒng)正常工作的環(huán)境溫度為–30 ℃～+60 ℃的要求，設(shè)定邊界環(huán)境溫度為60 ℃、3個(gè)熱源發(fā)熱量等其他邊界條件，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖中可看出，系統(tǒng)最高溫度為75.146 ℃（圖6（a）），用Ansys自帶探針測(cè)得最高溫度點(diǎn)在LED陣列上（圖6（b）），同時(shí)用探針測(cè)得CCD模塊最高溫度為68.972 ℃，電源模塊最高溫度為62.624 ℃，其與最高許用溫度對(duì)比見(jiàn)表1，從表中可以看出，仿真最高溫度均小于其可靠工作最高許用溫度，能夠滿足使用要求。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工，并按照GJB相關(guān)要求成功完成了高溫試驗(yàn)和穩(wěn)定性試驗(yàn)。

表 1 溫度對(duì)比表

4 結(jié) 語(yǔ)

以上分別從三防設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)3個(gè)方面講述了外殼防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)綜合應(yīng)用各種設(shè)計(jì)技術(shù)，如表面處理是三防設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)的綜合應(yīng)用，再如導(dǎo)電密封膠條也是三防設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)的綜合應(yīng)用，只有這樣才能保證系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境條件下正常工作。該攝像系統(tǒng)除了通過(guò)嚴(yán)酷的環(huán)境試驗(yàn)外，還經(jīng)受了海上復(fù)雜環(huán)境條件下使用的實(shí)踐檢驗(yàn)，各項(xiàng)功能指標(biāo)均正常，是一種比較實(shí)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，滿足海上復(fù)雜環(huán)境條件使用要求。

[1]聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[2]董志立, 張大勇, 林軍. 加固機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 激光與紅外與激光工程, 2006, 35(10): 195–198.

[3]GJB 151B-2013軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量[S]. 北京: 總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部, 2013.

[4]余建祖, 謝永奇. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.

Structural design of an active infrared night vision camera system

JIA Shi-kui, ZHANG Xuan, YANG Ling, CHEN Bo, XU Ya-jiao
(The 718 Research Institute of CSIC, Handan 056027, China)

This paper introduces an active infrared night vision camera system, which is applied to the ship deck. Its unique sealing structure makes it suitable for complex and harsh environmental conditions. Based on the design practice, this paper expounds the structural characteristics and the sealing, electromagnetic compatibility, heat dissipation and other aspects of the specific solutions, especially the key technologies such as sealing and window glass design, etc.. The test of electromagnetic compatibility test, environmental test and engineering practical application prove that it has a good comprehensive protection performance.

camera；structure design；protection；electromagnetic compatibility；thermal design

TN216

A

1672 – 7649(2017)07 – 0125 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.026

2016 – 09 – 02

賈世奎(1980 – )，男，工程師，現(xiàn)主要從事紅外攝像和分析儀器相關(guān)工作。