淺談艦載監(jiān)控?cái)z像機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)和研究

張衛(wèi)強(qiáng)，葛江鋒，肖偉，鄒迪，胡皓榮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

隨著艦船信息化水平的不斷提升，艦載監(jiān)控?cái)z像機(jī)開始逐步在艦上大量應(yīng)用,主要對(duì)艦船露天甲板、艦面裝備、主要工作艙室等重要部位以及周圍海面進(jìn)行監(jiān)視，在日常訓(xùn)練中起到重大作用。攝像機(jī)由模擬時(shí)代進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)高清時(shí)代，設(shè)備的集成度越來(lái)越高，設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，由于艦船上的電子設(shè)備的數(shù)量和種類繁多，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，在這種環(huán)境下如何增加設(shè)備的抗電磁干擾能力，使設(shè)備能穩(wěn)定工作，成為艦載監(jiān)控?cái)z像機(jī)在設(shè)計(jì)上需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

1 電磁環(huán)境分析

艦船的電磁環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的綜合電磁場(chǎng)，分為露天區(qū)域電磁環(huán)境和艙內(nèi)電磁環(huán)境[1]，主要的場(chǎng)源包括各種功能雷達(dá)（導(dǎo)航、引導(dǎo)、搜索雷達(dá)等）、通信設(shè)備、敵我識(shí)別及電子戰(zhàn)系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、綜合武器系統(tǒng)以及指揮控制系統(tǒng)等，在艦艇編隊(duì)情形下，還存在著來(lái)自友方的信息射頻能量（即通信和導(dǎo)航）及來(lái)自我方附近艦船上無(wú)意的射頻發(fā)射，以及來(lái)自敵方潛在的不期望的射頻能量（如敵方的監(jiān)視和干擾、高功率電磁脈沖等）。同時(shí)還有來(lái)自在海上惡劣的天氣環(huán)境影響，如遭受直接雷電和間接雷電的威脅。

艦船艙室內(nèi)電氣、電子設(shè)備種類和數(shù)量眾多，同時(shí)鋪設(shè)了大量的各類船纜，受艙室空間限制，設(shè)備之間距離較近，它們產(chǎn)生的電磁能量構(gòu)成了艙內(nèi)狹小空間的電磁環(huán)境。

艦載監(jiān)控?cái)z像機(jī)的部署位置分為艙外露天區(qū)域和艙內(nèi)的通道、主要艙室，其中艙外部署的攝像機(jī)面臨著更加復(fù)雜的露天區(qū)域電磁干擾,干擾頻段覆蓋范圍廣，強(qiáng)度大，尤其是一些大功率的天線工作時(shí)周圍產(chǎn)生高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域，對(duì)露天區(qū)域部署的攝像機(jī)存在較大威脅，很容易出現(xiàn)畫面閃屏、花屏現(xiàn)象，甚至直接損壞。

因此艦載設(shè)備需要具備良好的電磁兼容性，來(lái)保證在復(fù)雜的電磁環(huán)境下的工作可靠性和生命力。

2 電磁兼容性要求

根據(jù)GJB151B-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》標(biāo)準(zhǔn)的要求，適用水面艦船的測(cè)試項(xiàng)目主要包括：CE101 25 Hz~10 kHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射[2]、CE102 10 kHz~10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射[2]、CS101 25 Hz~150 kHz電源線傳導(dǎo)敏感度[2]、CS106 電源線尖峰信號(hào)傳導(dǎo)敏感度[2]、CS114 4 kHz~400 MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度[2]、CS116 10 kHz~100 MHz電纜和電源線阻尼正弦瞬態(tài)傳導(dǎo)敏感度[2]、RE101 25 Hz~100 kHz磁場(chǎng)輻射發(fā)射[2]、RE102 10 kHz~18 GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射[2]、RS101 25 Hz~100 kHz磁場(chǎng)輻射敏感度[2]、RS103 10 kHz~40 GHz電場(chǎng)輻射敏感度[2]等，其中電源傳導(dǎo)發(fā)射兩項(xiàng)，傳導(dǎo)敏感度四項(xiàng)，輻射發(fā)射兩項(xiàng)，輻射敏感度兩項(xiàng)。

3 電磁兼容性設(shè)計(jì)建議

3.1 電磁兼容性要求分解

任何電磁兼容性問(wèn)題的形成必須同時(shí)存在干擾源、耦合路徑、敏感源這三個(gè)要素，缺一不可，否則就不存在電磁兼容性問(wèn)題。一般解決電磁兼容性問(wèn)題的方法包括減小干擾源、切斷耦合路徑、加強(qiáng)敏感源的抗干擾能力三個(gè)方面，主要通過(guò)對(duì)板內(nèi)、板間以及機(jī)箱外的電磁兼容環(huán)境進(jìn)行分析，采取濾波設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、端口防護(hù)設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布局布線設(shè)計(jì)等方法，通過(guò)減小電流環(huán)路面積、保證屏蔽體電連續(xù)性、合理濾波處理等措施保障產(chǎn)品的電磁兼容性。對(duì)艦載設(shè)備的電磁兼容性指標(biāo)要求分解如表1所示。

表1 電磁兼容指標(biāo)分解表

3.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)相關(guān)措施

艦載監(jiān)控?cái)z像機(jī)的電磁兼容性設(shè)計(jì)除了采用常規(guī)軍工產(chǎn)品的電源濾波設(shè)計(jì)、屏蔽連續(xù)性設(shè)計(jì)、接口防護(hù)設(shè)計(jì)、印制板信號(hào)設(shè)計(jì)等方法以滿足電磁兼容性要求外，還應(yīng)對(duì)電源、轉(zhuǎn)動(dòng)部件、視窗部件屏蔽進(jìn)行著重設(shè)計(jì)，常規(guī)的電磁兼容性設(shè)計(jì)不在本文中進(jìn)行贅述。

1）電源設(shè)計(jì)

艦載監(jiān)控?cái)z像機(jī)電源應(yīng)采用高功率因數(shù)的電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)具有良好的諧波抑制能力，不建議使用整流橋輸出直接進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換。較大諧波分量對(duì)艦船功率系統(tǒng)的危害很大，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的變壓器、電容組件及其它功率元件產(chǎn)生過(guò)載和過(guò)熱，有時(shí)還會(huì)引起線路跳閘。功率因數(shù)校正電路主要通過(guò)PWM調(diào)試方式將電流跟隨電壓進(jìn)行調(diào)制，如圖1所示。

圖1 PWM調(diào)制波形圖

功率因數(shù)校正較差和較好的輸入電流波形對(duì)比如圖2所示，功率因數(shù)校正較好的電路高次諧波分量含量少，可以極大的保護(hù)艦船供電系統(tǒng)。

圖2 功率因數(shù)校正較差和較好的輸入電流波形對(duì)比圖

2）轉(zhuǎn)動(dòng)部件屏蔽設(shè)計(jì)

艦船監(jiān)控?cái)z像機(jī)結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要包含攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件以及視窗部件屏蔽連續(xù)設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)動(dòng)部件屏蔽設(shè)計(jì)包括俯仰機(jī)構(gòu)、水平方位組件和導(dǎo)電搭接設(shè)計(jì)，其中俯仰機(jī)構(gòu)見圖3，由步進(jìn)電機(jī)和皮帶傳動(dòng)，U型架右側(cè)主要安裝軸承、傳動(dòng)軸、皮帶輪，為保證傳動(dòng)精度，U型架左側(cè)安裝有絕對(duì)式磁編碼器位置反饋單元，U型架和球殼之間采用迷宮填料密封。

圖3 俯仰機(jī)構(gòu)組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

攝像機(jī)機(jī)芯安裝在云臺(tái)最內(nèi)側(cè)，避免機(jī)芯被外界電磁干擾影響；

框架電機(jī)與角度傳感器分布框架兩側(cè)，除了機(jī)構(gòu)上對(duì)稱排布有利于載荷重心平衡外，也可有效避免電機(jī)工作時(shí)對(duì)角度傳感器產(chǎn)生干擾。

水平方位組件設(shè)計(jì)。水平方位組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，方位機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)和皮帶傳動(dòng)，俯仰機(jī)構(gòu)總體安裝在中間殼體上，中間殼體中心孔通過(guò)軸承與方位軸相連接，工作時(shí)，方位電機(jī)在自轉(zhuǎn)的作用下通過(guò)皮帶繞中心軸作行星轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)中間殼體繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，中間殼體內(nèi)的線纜通過(guò)滑環(huán)與底座殼體內(nèi)的電路、航插相連，從而實(shí)現(xiàn)360 °連續(xù)旋轉(zhuǎn)。底座殼體底部設(shè)計(jì)有與總體設(shè)備對(duì)接安裝的機(jī)械接口及電氣接口，方位轉(zhuǎn)動(dòng)部分采用雙重迷宮填料密封。透膜和憎水膜加工工藝。

圖4 方位內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

光學(xué)屏蔽貼膜玻璃主要由鋼化玻璃與光學(xué)屏蔽薄膜組成，其中光學(xué)屏蔽薄膜是由特殊方式處理將高導(dǎo)電銀漿植入到高透PET表面而成，實(shí)現(xiàn)XY平面導(dǎo)電，具有光學(xué)高透性能和優(yōu)良的導(dǎo)電性能。金屬導(dǎo)電網(wǎng)格為無(wú)規(guī)則網(wǎng)格，可以有效消除莫爾干涉，安裝無(wú)角度限值。

攝像機(jī)導(dǎo)電搭接設(shè)計(jì)分為靜密封和動(dòng)密封，其中靜密封大多采用導(dǎo)電密封條及導(dǎo)電密封墊進(jìn)行密封，動(dòng)密封采用迷宮填料密封，如圖5所示。

圖5 整機(jī)密封設(shè)計(jì)

3）視窗部件屏蔽設(shè)計(jì)

艦船監(jiān)控?cái)z像機(jī)的視窗部件主要包括補(bǔ)光燈光窗、光線感應(yīng)光窗、可見光光窗三部分，見圖6，視窗部件的電磁屏蔽設(shè)計(jì)是攝像機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較難的，既要考慮窗口的透光率、成像效果，又要滿足產(chǎn)品的電磁輻射發(fā)射特性。

圖6 光學(xué)視窗部件示意圖

常規(guī)視窗界面一般采用夾金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃、鍍膜玻璃等屏蔽措施，但這些措施已無(wú)法滿足艦載監(jiān)控?cái)z像機(jī)屏蔽應(yīng)用需求，優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 屏蔽玻璃優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

艦船監(jiān)控?cái)z像機(jī)視窗部件的屏蔽結(jié)構(gòu)主要采用光學(xué)屏蔽貼膜玻璃進(jìn)行設(shè)計(jì)，除屏蔽設(shè)計(jì)外，還需要采用增光學(xué)屏蔽貼膜玻璃使用及注意事項(xiàng)，如下:

①使用光學(xué)屏蔽貼膜玻璃應(yīng)對(duì)其預(yù)先進(jìn)行包邊處理，包邊的銅箔應(yīng)與屏蔽薄膜導(dǎo)電面連續(xù)導(dǎo)電搭接，包邊寬度應(yīng)不小于3 mm；

②為了保障鏡頭具備防水、電磁屏蔽等性能，光學(xué)屏蔽貼膜玻璃安裝方式如圖7所示。

圖7 光學(xué)屏蔽貼膜玻璃安裝方式

裝配時(shí)，應(yīng)先將結(jié)構(gòu)件與導(dǎo)電橡膠的接觸面和銅箔上的油漆、油污、雜物、非導(dǎo)電氧化層等影響搭接的非導(dǎo)電雜物清理干凈，使其具有高導(dǎo)電率。

③應(yīng)在玻璃內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)壓塊，使導(dǎo)電橡膠具有一定的壓縮量，以達(dá)到良好搭接的效果，導(dǎo)電橡膠可選用壓縮量較大的銅鍍銀或鋁鍍銀矩形雙層導(dǎo)電橡膠。

4 結(jié)束語(yǔ)

艦載監(jiān)控?cái)z像機(jī)在復(fù)雜的的電磁環(huán)境中的穩(wěn)定工作依賴較好的電磁兼容性設(shè)計(jì)，本文對(duì)電磁兼容性要求進(jìn)行分解，并基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，除常規(guī)軍工產(chǎn)品的常規(guī)EMC設(shè)計(jì)外，重點(diǎn)總結(jié)了如何從攝像機(jī)的電源設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)動(dòng)部件屏蔽設(shè)計(jì)、視窗部件屏蔽設(shè)計(jì)等方面，采取有效地設(shè)計(jì)方法使設(shè)備的電磁兼容性更能滿足要求。