浅谈舰载监控摄像机电磁兼容设计和研究.pdf

T/技术专栏浅谈舰载监控摄像机电磁兼容设计和研究张卫强，葛江锋，肖伟，邹迪，胡皓荣（中国电子科技集团公司第五十二研究所，杭州31112 1）摘要：基于舰船的电磁环境分析和监控摄像机的设计理论，有助于舰载监控摄像机电磁兼容性设计技术的发展。本文研究了舰船摄像机电磁屏蔽的的设计方法以及电磁兼容性试验下的电磁屏蔽设计行为，总结了舰载监控摄像机电磁屏蔽设计机理，对舰载监控摄像机电磁兼容性设计方向进行了展望。关键词：舰载；监控摄像机；电磁兼容中图分类号：TJ85文献标识码：A文章编号：10 0 4-7 2 0 4(2 0 2 3)0 6-0 0 6 1-0 6Discussion on EMC Design and Research of Ship-Based Surveillance CameraZHANG Wei-qiang,GE Jiang-feng,XIAO Wei,ZOU Di,HU Hao-rong(The 52nd Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hangzhou 31l121)Abstract:Based on the analysis of ships electromagnetic environment and the design theoryof surveillance camera,it is helpful to the development of ship-based surveillance cameraselectromagnetic compatibility design technology.This paper studies the design method ofelectromagnetic shielding of shipboard camera and the design behavior of electromagnetic shieldingunder electromagnetic compatibility test,summarizes the design mechanism of electromagnetic shieldingof shipboard surveillance camera,and prospects the design direction of electromagnetic compatibilityof ship-based surveillance camera.Keywords:ship-based;surveillance camera;electromagnetic compatibility引言随着舰船信息化水平的不断提升，舰载监控摄像机开始逐步在舰上大量应用，主要对舰船露天甲板、舰面装备、主要工作舱室等重要部位以及周围海面进行监视，在日常训练中起到重大作用。摄像机由模拟时代进入网络高清时代，设备的集成度越来越高，设计越来越复杂，由于舰船上的电子设备的数量和种类繁多，电磁环境日益复杂，在这种环境下如何增加设备的抗电磁干扰能力，使设备能稳定工作，成为舰载监控摄像机在设计上需要重点研究的问题。1电磁环境分析舰船的电磁环境是一个复杂的综合电磁场，分为露天区域电磁环境和舱内电磁环境，主要的场源包括各种功能雷达（导航、引导、搜索雷达等）、通信设备、敌我识别及电子战系统、声纳系统、综合武器系统以及指挥控制系统等，在舰艇编队情形下，还存在着来自友方的信息射频能量（即通信和导航）及来自我方附近舰船上无意的射频发射，以及来自敌方潜在的不期望的射频能量（如敌方的监视和干扰、高功率电磁脉冲等）。同时还有来自在海上恶劣的天气环境影响，如遭受直接雷电和间接雷电的威胁。舰船舱室内电气、电子设备种类和数量众多，同时铺设了大量的各类船缆，受舱室空间限制，设备之间距离较近，它们产生的电磁能量构成了舱内狭小空间的电磁环境。2023 年 6 月/June 2023 61技术专栏/TechnicalColumn舰载监控摄像机的部署位置分为舱外露天区域和舱内的通道、主要舱室，其中舱外部署的摄像机面临着更加复杂的露天区域电磁干扰，干扰频段覆盖范围广，强度大，尤其是一些大功率的天线工作时周围产生高场强区域，对露天区域部署的摄像机存在较大威胁，很容易出现画面闪屏、花屏现象，甚至直接损坏。因此舰载设备需要具备良好的电磁兼容性，来保证在复杂的电磁环境下的工作可靠性和生命力。2电磁兼容性要求根据GJB151B-2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量标准的要求，适用水面舰船的测试项目主要包括：CE10125Hz10kHz电源线传导发射2 、CE10210kHz10MHz电源线传导发射2 、CS10125Hz150kHz电源线传导敏感度2 、CS106电源线尖峰信号传导敏感度2)、CS1144kHz400MHz电缆束注人传导敏感度2 、CS11610kHz100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬态传导敏感度2 、RE10125Hz100kHz磁场辐射发射2 、RE10210kHz18CHz电场辐射发射 2 、RS10125 Hz100 kHz磁场辐射敏感度 2 1、RS10310kHz40CHz电场辐射敏感度2 等，其中电源传导发射两项，传导敏感度四项，辐射发射两项，辐射敏感度两项。3电磁兼容性设计建议3.1电磁兼容性要求分解任何电磁兼容性问题的形成必须同时存在干扰源、耦合路径、敏感源这三个要素，缺一不可，否则就不存在电磁兼容性问题。一般解决电磁兼容性问题的方法包括减小干扰源、切断耦合路径、加强敏感源的抗干扰能力三个方面，主要通过对板内、板间以及机箱外的电磁兼容环境进行分析，采取滤波设计、屏蔽设计、端口防护设计、接地设计、PCB设计、结构布局布线设计等方法，通过减小电流环路面积、保证屏蔽体电连续性、合理滤波处理等措施保障产品的电磁兼容性。对舰载设备的电磁兼容性指标要求分解如表1所示。3.2电磁兼容性设计相关措施舰载监控摄像机的电磁兼容性设计除了采用常规军工产品的电源滤波设计、屏蔽连续性设计、接口防护设计、印制板信号设计等方法以满足电磁兼容性要求外，还应对电源、转动部件、视窗部件屏蔽进行着重设计，常规的电磁兼容性设计不在本文中进行赘述。1）电源设计舰载监控摄像机电源应采用高功率因数的电源模块进行设计，应具有良好的谐波抑制能力，不建议使用整流桥输出直接进行DC-DC转换。较大谐波分量对舰船功率系统的危害很大，会导致发电机系统的变压器、电容表1电磁兼容指标分解表项目分类电源设计屏蔽设计电CE101CE102CS101CS106CS114CS116RE101RE102RS101RS103电缆及连接器设计电源接口滤波设计信号接口滤波设计PCB布线布局设计接地设计开关设计62环境技术/Environmental TechnologyTColumn/技术专栏组件及其它功率元件产生过载和过热，有时还会引起线Scaled LineVoltage路跳闸。功率因数校正电路主要通过PWM调试方式将电流跟随电压进行调制，如图1所示。功率因数校正较差和较好的输入电流波形对比如图2所示，功率因数校正较好的电路高次谐波分量含量少，可以极大的保护舰船供电系统。2）转动部件屏蔽设计舰船监控摄像机结构部分设计难点主要包含摄像机的转动部件以及视窗部件屏蔽连续设计。转动部件屏蔽设计包括俯仰机构、水平方位组件和导电搭接设计，其中俯仰机构见图3，由步进电机和皮带传动，U型架右侧主要安装轴承、传动轴、皮带轮，为保证传动精度，U型架左侧安装有绝对式磁编码器位置反馈单元，U型架和球壳之间采用迷宫填料密封。摄像机机芯安装在云台最内侧，避免机芯被外界电磁干扰影响；框架电机与角度传感器分布框架两侧，除了机构上对称排布有利于载荷重心平衡外，也可有效避免电机工作时对角度传感器产生干扰。水平方位组件设计。水平方位组件结构设计如图4所示，方位机构由步进电机和皮带传动，俯仰机构总体安装在中间壳体上，中间壳体中心孔通过轴承与方位轴相连接，工作时，方位电机在自转的作用下通过皮带绕中心轴作行星转动，从而实现中间壳体绕中心轴转动，中间壳体内的线缆通过滑环与底座壳体内的电路、航插相连，从而实现36 0 连续旋转。底座壳体底部设计有与总体设备对接安装的机械接口及电气接口，方位转动部分采用双重迷宫填料密封。(VAC-VDC)/LVAcILILtoNPWM开关周期图1PWM调制波形图LineCurrent(a）功率因数校正较差的电流波形Scaled LineVoltageLineCurrent(b）功率因数校正较好的电流波形图2 功率因数校正较差和较好的输入电流波形对比图俯仰电机迷宫填料密封俯仰轴B一轴承皮带位置反馈单元俯神轴A轴承U型架平均电感滤波器、电流受到控制方位轴皮带toFF方位电机线路半周期U型架图3俯仰机构组件内部结构图电源模块一滑环轴承图4方位内部结构图双重迷官填料密封2023年6 月/June 202363技术专栏TechnicalColumn透膜和憎水膜加工工艺。玻璃压块双重迷宫填料密封密封条密封势密封条光线感应光窗可见光光窗雨刮补光灯光窗光学屏蔽贴膜玻璃主要由钢化玻璃与光学屏蔽薄膜组成，其中光学屏蔽薄膜是由特殊方式处理将高导迷宫密封电银浆植入到高透PET表面而成，实现XY平面导电，具有光学高透性能和优良的导电性能。金属导电网格为无规则网格，可以有效消除莫尔干涉，安装无角度限值。图5整机密封设计导电密封圈可见光保护玻璃玻璃压块摄像模组、加热膜保护玻璃图6 光学视窗部件示意图表2 屏蔽玻璃优缺点对比表序号12屏蔽玻璃种类夹金属丝网屏蔽玻璃镀膜玻璃优点屏蔽效果好透光性能好缺点透光性能差，安装要求高（否则存在莫尔网纹，影响成像效果）方阻大，屏蔽效果差摄像机导电搭接设计分为静密封和动密封，其中静密封大多采用导电密封条及导电密封垫进行密封，动密封采用迷宫填料密封，如图5所示。3）视窗部件屏蔽设计舰船监控摄像机的视窗部件主要包括补光灯光窗、光线感应光窗、可见光光窗三部分，见图6，视窗部件的电磁屏蔽设计是摄像机结构设计中较难的，既要考虑窗口的透光率、成像效果，又要满足产品的电磁辐射发射特性。常规视窗界面一般采用夹金属丝网屏蔽玻璃、镀膜玻璃等屏蔽措施，但这些措施已无法满足舰载监控摄像机屏蔽应用需求，优缺点如表2 所示。舰船监控摄像机视窗部件的屏蔽结构主要采用光学屏蔽贴膜玻璃进行设计，除屏蔽设计外，还需要采用增光学屏蔽贴膜玻璃使用及注意事项，如下：使用光学屏蔽贴膜玻璃应对其预先进行包边处理，包边的铜箔应与屏蔽薄膜导电面连续导电搭接，包边宽度应不小于3mm；为了保障镜头具备防水、电磁屏蔽等性能，光学屏蔽贴膜玻璃安装方式如图7 所示。装配时，应先将结构件与导电橡胶的接触面和铜箔上的油漆、油污、杂物、非导电氧化层等影响搭接的非压块一缓冲垫导电橡胶普通防水橡胶蚀刻丝网膜图7 光学屏蔽贴膜玻璃安装方式64环境技术/Environmental TechnologyColumn/技术专栏导电杂物清理干净，使其具有高导电率。应在玻璃内侧设计压块，使导电橡胶具有一定的压缩量，以达到良好搭接的效果，导电橡胶可选用压缩量较大的铜镀银或铝镀银矩形双层导电橡胶。4结束语舰载监控摄像机在复杂的的电磁环境中的稳定工作依赖较好的电磁兼容性设计，本文对电磁兼容性要求进行分解，并基于实践经验，除常规军工产品的常规EMC设计外，重点总结了如何从摄像机的电源设计、转动部件屏蔽设计、视窗部件屏蔽设计等方面，采取有效地设计方法使设备的电磁兼容性更能满足要求。（上接49页）化改革的最终目标是实现保障流程可视化、管理过程智能化、决策执行精准化、保障服务高效化，为打赢现代化战争服务。参考文献：1杨晓瑞，王威，庞文涛.航材信息化建设研究J.科技资讯，2016,27:5-8.2傅涛.科学化、信息化航材保障途径探讨J.航空维修与工程，2004,4:P28-30.3高景鹰，陈联伟，梁豫.信息化保障对接未来战场一海军某航材仓库依靠科技手段提高保障能力纪实J.政工学刊，2 0 0 7,3:41.【4 焦阳，李良春，美军装备保障信息化研究及对我军的启示J.兵工自动化，2 0 0 7,2 6(8):8.作者简介：史玉敏，女，副教授，主要研究方向为航材保障信息化。参考文献：1喻菁，李晶，张崎，侯冬云.舰船电磁环境特性研究J.舰船科学技术，2 0 0 7,2 9(6):98-10 0.2GJB151B-2013,军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量S.作者简介：张卫强（1990.8-），男，本科，工程师，主要研究方向：从事信息系统研究。葛江锋（198 6.5-），男，本科，工程师，主要研究方向：从事电磁兼容性设计和电源设计工作。肖伟（198 2.5-），男，本科，高级工程师，主要研究方向：从事军工产品的质量管理和测试工作。邹迪（1992.4-），男，本科，工程师，主要研究方向：从事信息系统研究。胡皓荣（1994.11-），男，本科，工程师，主要研究方向：从事信息系统研究。2023年6 月/June 202365