一種主動紅外夜視攝像系統的結構設計

賈世奎，張 軒，楊 凌，陳 博，徐亞蛟

(中國船舶重工集團公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

一種主動紅外夜視攝像系統的結構設計

賈世奎，張 軒，楊 凌，陳 博，徐亞蛟

(中國船舶重工集團公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

設計一種應用于艦船甲板上的主動紅外夜視攝像系統，其獨特的密封結構使其適合在復雜惡劣的環境條件下使用。通過設計實踐，闡述了該防護罩的結構特點和密封、電磁兼容、散熱等方面的具體解決方法，特別是密封、視窗玻璃設計等關鍵技術。經電磁兼容試驗、環境條件試驗和工程實際應用的檢驗，證明其具有很好的綜合防護性能。

攝像；結構設計；三防；電磁兼容；熱設計

0 引 言

某主動紅外夜視攝像系統，工作于艦船甲板上。該系統是由基于紅外發光二極管（IRLED-Infrared）的紅外陣列，配合鏡頭、視頻采集、視頻網絡發布等模塊組成的系統。海面高濕和鹽霧環境，要求其必須達到國軍標相應的三防要求，同時具備良好的電磁兼容性。根據成像的特殊功能要求，在該環境下其外殼防護罩必須全密閉，由于防護罩內有主動紅外LED陣列、電源等高發熱器件，因此該系統的熱設計與防護性設計成為矛盾，妥善處理成像性能要求和三防、電磁兼容性、散熱之間的關系，是產品設計的關鍵。本文針對該系統的各項性能指標要求，采用了雙密封墊結構，使系統整體具有優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Ansys軟件對溫度場進行了穩態仿真計算和設計。該系統通過了環境條件試驗、電磁兼容試驗等各項性能指標要求，后經工程現場實踐，證明該系統結構能夠很好的滿足使用要求。

1 三防技術

由于潮熱、鹽霧、霉菌3種環境因素對電子產品有較大影響，因而把它們稱為三防技術。目前主要采取材料防護、工藝防護、結構防護、隔離防護4種三防措施[2]。

針對該系統使用要求，外殼防護罩采用整體密閉式結構，裸露在外的材料采用適用于海上環境的022Cr17Ni12Mo2不銹鋼材料，所有螺釘均采用0Cr18Ni9不銹鋼材料。主體結構采用氬弧焊焊接而成，焊接完成后進行氣密性試驗，保證焊縫處不漏氣；外殼殼體上螺釘孔設計加工為盲孔，防止潮氣從螺紋孔進入內腔。上蓋與外殼殼體接縫處采用雙層密封結構，如圖1（a）所示，首先采用密封和耐酸堿耐老化等各項性能優異的氟橡膠墊密封；其次，內層采用導電的O型銀鋁橡膠圈，同時也滿足外殼防護罩電磁屏蔽的要求。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致密封不嚴；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致密封失效。本安裝結構密封橡膠墊在壓緊狀態下的變形量控制在15%～30%。同時針對密封端面的不平度和表面粗糙度過大常可使防護罩發生滲漏現象，在設計、制造的過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。

在光學視窗方面，外層采用優質石英玻璃，安裝結構如圖1（b）。外層結構密封采用703硅橡膠與外殼殼體粘接為一體，內層采用導電銀鋁橡膠墊，并采用壓板進行螺釘緊固安裝。壓板采用6061鋁合金板材加工成型，并進行H.DY處理，保證了表面良好的導電性能，使視窗玻璃與外殼有機結合為一體，從而保證系統具有優良的三防性能，同時大大提高了系統的電磁兼容性能。

此外，為防止潮氣從緊固航空插座的螺釘孔進入護罩內部，在外殼殼體上焊接內凸臺，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，內部再用703硅橡膠灌封。

2 電磁兼容設計

電磁兼容設計是外殼防護罩設計的重要組成部分，設計初期就應考慮到，以免在隨后的設計、制造、使用過程中走彎路。概括來講，電磁兼容性設計的基本手段主要有屏蔽和抑制干擾，屏蔽包括電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽等；抑制干擾通常采用濾波、正確選用無源元件、電路優化設計等措施。如圖1所示，為使該系統的電磁兼容性能符合GJB151B-2013的相關要求，主要采取以下一系列措施：防護罩的金屬結構有效地將內部核心組件與外部電磁隔離；夾層金屬網的視窗玻璃結構使系統能夠滿足光學透光率要求的同時具有優良電磁屏蔽性能；用作防護罩端面部位密封的優質導電銀鋁橡膠密封條，可使防護罩保證良好的整體電導通性能；防護罩內所有電氣組件均通過金屬支架與外殼防護罩緊密接觸，保證良好接地；航空插頭選用高品質軍用型號，使用帶屏蔽層的線纜；在電源入口處配置專用濾波器。

2.1 屏蔽設計

由不銹鋼制成的防護罩能達到屏蔽要求，因為它具有較高的電導率（0.1），且相對磁導率為140，這使得鋼適宜作為磁場屏蔽材料。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總重量的限制。經設計計算，外殼殼體和上蓋主體壁厚設計為2 mm，既能滿足系統電磁屏蔽要求，同時也能達到結構強度和重量要求。

在光學窗口的設計中，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境適應性要求。經調研，確定采用雙層光學玻璃結構，如圖2所示，中間夾層為進口不銹鋼鋼絲網（100目），一方面不以犧牲透光率為代價來增加視窗玻璃的屏蔽能力；另一方面通過這種手段，大大提高了視窗玻璃的抗沖擊性能，滿足了系統的性能要求。該結構視窗玻璃在30 MHz～1 GHz頻段內，屏蔽效能在50～60 dB以上，透光率可達80%以上。

2.2 電源濾波設計

對電源的濾波，最直接有效地方法就是在開關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自于外界的干擾，也能濾除來自產品內部的騷擾。為達到有效抑制干擾和騷擾信號的目的，設計如圖3所示的安裝結構。將電源濾波器前端電源線進行屏蔽處理，以解決內部高頻的輻射騷擾通過空間與電源輸入線的耦合問題。

2.3 電磁兼容試驗

在標準EMC試驗室里，采取了上述綜合措施的系統進行了10 kHz～18 GHz電場發射測試（RE102）和10 kHz～10 MHz電源線傳導發射測試（CE102），測試結果如圖4和圖5所示。

從圖中可看出，系統達到了GJB151B-2013的要求。另外，在進行CE101、CS101、CS114、CS116、RE101、RS101、RS103等項目的測試中，系統的測試均取得了較好的效果，滿足GJB151B-2013對水面艦艇甲板上使用系統的要求。

3 綜合熱設計

3.1 系統熱設計要求

系統熱設計的總體要求是保證系統成像功能和高溫下可靠工作的同時，盡可能降低溫度，使系統的重量、加工成本控制在低限。現將系統內部主要發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 熱設計方法措施

由以上系統熱設計要求可以看出，系統的熱量密度很大，而該外殼又是全密封結構，所以設計的關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境條件下工作時不超過規定的最高許用溫度。為了提高散熱效率，對該系統采取措施如下：

1）LED陣列印制板熱設計。根據溫控指標與銅箔層厚度確定導線的寬度，以提高散熱、導熱的能力，并采用鋁材料作為印制板基材。進一步安裝時將LED陣列印制板安裝在6061鋁合金支架上，同時在印制板和支架之間填充導熱硅脂，以消除空氣間隙，降低接觸熱阻，使LED陣列產生的熱量迅速傳到支架上，進而傳導到防護罩殼體上。

2）改善系統內部結構。由于密封式系統中，內部空氣對流傳熱較困難，傳導和輻射就成為主要散熱手段。設計中讓熱源通過導熱硅脂直接與安裝支架連接，使散熱路徑最短、熱阻最小，避免熱量在箱體內產生循環。同時防護罩外殼內壁進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，同時進行H.DY黑色處理，增強輻射傳熱能力。

3）提高防護罩對外傳熱能力。在防護罩上蓋上加裝6061鋁合金材料肋板散熱片，提高防護罩整體對外散熱面積；散熱片表面黑色陽極氧化處理，進一步提高其輻射散熱能力，同時提高其三防能力；搭接面填充防水導熱材料。

3.3 整體溫度場仿真

為驗證上述措施的效果，運用Ansys軟件對系統整體進行了穩態溫度仿真試驗。建立三維實體模型，并根據系統正常工作的環境溫度為–30 ℃～+60 ℃的要求，設定邊界環境溫度為60 ℃、3個熱源發熱量等其他邊界條件，試驗結果如圖6所示。

從圖中可看出，系統最高溫度為75.146 ℃（圖6（a）），用Ansys自帶探針測得最高溫度點在LED陣列上（圖6（b）），同時用探針測得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比見表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。在此基礎上進行了結構的設計加工，并按照GJB相關要求成功完成了高溫試驗和穩定性試驗。

表 1 溫度對比表

4 結 語

以上分別從三防設計、電磁兼容設計、熱設計3個方面講述了外殼防護罩的結構設計技術及實際應用，在實際設計中，應當綜合應用各種設計技術，如表面處理是三防設計和熱設計的綜合應用，再如導電密封膠條也是三防設計和電磁兼容設計的綜合應用，只有這樣才能保證系統在惡劣的環境條件下正常工作。該攝像系統除了通過嚴酷的環境試驗外，還經受了海上復雜環境條件下使用的實踐檢驗，各項功能指標均正常，是一種比較實用的系統結構，滿足海上復雜環境條件使用要求。

[1]聞邦椿. 機械設計手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.

[2]董志立, 張大勇, 林軍. 加固機箱的結構設計[J]. 激光與紅外與激光工程, 2006, 35(10): 195–198.

[3]GJB 151B-2013軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量[S]. 北京: 總裝備部軍標出版發行部, 2013.

[4]余建祖, 謝永奇. 電子設備熱設計及分析技術[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 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，現主要從事紅外攝像和分析儀器相關工作。