用于高真空超低温环境中的无保护舱摄像系统的制作方法

本发明属于航天真空热试验技术领域，具体涉及高真空超低温环境中的摄像系统。

背景技术：

航天器在升空与运行的环境与常规地球表面的环境大不相同。太空环境是一个真空冷黑的环境，其中真空是指负压环境，环境压力在10^-5～10^-7Pa之间，冷黑环境是指无光照和低温环境，温度范围在-100℃～-270℃之间。太空极端恶劣的环境会导致航天器材料和结构发生变化，例如材料的蒸发、分解、升华等。航天器在研制、发射、入轨、返回过程所要经历4个阶段的环境，包括：地面环境、发射环境、轨道环境(空间环境)、返回环境。为了航天器的可靠性，必须在地面模拟这4个阶段的环境，并在这些环境做充分的试验，其中以空间环境最为重要，因素最复杂，影响最大，投资最多。经验证明：航天器故障的70％是由于空间环境的影响而造成的。空间环境试验是航天器研制工作中的重要程序。空间环境模拟器主要是用来模拟卫星及其组件在轨道运行中经历的真空、冷黑、空间外热流等主要空间环境的试验设备。该设备主要是为了验证卫星在轨运行时，真空冷黑环境中卫星热设计的可靠性，确保星上仪器和设备的温度在允许范围内。

随着航天事业的不断发展，航天器型号任务的不断增多，其试验的难度也不断增加。例如在热真空试验过程中，运动部件需要在空间环境模拟器的真空冷黑环境中有旋转、平移等动作。在真空冷黑环境中，试验件表面的粘 贴众多复杂的传感器。在真空冷黑环境中，部分挠性结构件会发生变形。上述的几种工作状态只是真空冷黑环境的中航天器试验件的几个典型案例。这些复杂的工作状态均需要一套可视的监控系统去观察，记录其图像信息。

目前，现有的摄像及照明系统均只能够在常温常压的环境中使用。而在空间环境模拟器中，使用摄像与照明系统时，有两种方式：第一种是摄像与照明系统放置在真空容器外，通过玻璃法兰窗口进行照明与摄像。第二种是摄像与照明系统通过保护舱放置在真空容器内部。但是，这两种都分别存在一定的不足。第一种摄相与照明放置在真空容器外，摄像的视场角较小，受到穿墙法兰上玻璃窗大小的限制，其拍摄图像质量受限于玻璃透窗的性能。第二种摄像与照明系统通过保护舱放置在真空容器内部时，其拍摄不仅受限于玻璃窗口，而且体积较大占用真空容器内部有限的空间。为此，有必要设计一种新的摄像系统，以便在真空冷黑试验环境下能够用最少的摄像机，占用最小空间，全方位无死角地实现监控，记录图像信息。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于高真空超低温环境中的无保护舱摄像系统，该系统能够直接在约10^-5Pa超低温100K环境中使用，并能对真空冷黑环境中的试验状态进行全程地，无死角的实时监控。

本发明通过如下的技术方案加以实现：

一种用于高真空超低温环境中的无保护舱摄像系统，包括设置真空容器内的若干摄像机及辅助光源、设置在真空容器外的云台控制器、摄像机温控机箱和视频处理单元，若干摄像机及辅助光源以覆盖容器内的全角落拍摄进行位置设置且摄像机的拍摄方向与辅助光源的照射方向相同，若干摄像机所有裸露的金属外壳和摄像机底部的云台上分别贴设有多个加热片，多个加热片通过真空容器壁上的真空密封法兰与摄像机温控箱电连接，并对加热片进行温度加热控制以控制摄像机的工作温度，各个云台的转动和辅助光源的照明也分别通过真空 密封法兰与真空容器外的云台控制器和电源控制器进行电连接并进行控制，若干摄像机拍摄到的视频信号经过视频电缆穿过真空密封法兰引出至视频处理单元，视频处理单元进行视频图像处理后进行存储和显示。

其中，摄像机温控箱采用PLC系统，通过加热片对摄像头、云台进行加热，控温选用数字温控仪。

其中，辅助光源为低压LED灯，采用PID控制器和辅助光源驱动单元来控制其亮度。

其中，低压LED灯为耐低温冷浸筛选的LED灯。

其中，所述摄像机经过如下处理：

1)对所有运动部件采取去油处理，用酒精将润滑油洗掉，采用固体润滑剂二硫化钼润滑，确保其能在高真空下正常工作；

2)将摄像机和云台包裹在镀铝薄膜多层绝热层中；且摄像机与云台的固定处均垫有耐低温的聚四氟乙烯绝热板。

其中，加热片为选用四个阻值均为48Ω的薄膜加热片，两两并联，分布在摄像机机壳的对称面上。

其中，摄像相机温控箱采用独立硬件模块，选用模块式数字温控仪，具有自整定功能，通过ModBus通讯接口接受命令数据，并根据命令驱动固态继电器输出，从而控制摄像头温度，并将温度数据通过ModBus接口传输至PLC。

其中，真空容器内部采用的电缆为耐低温电缆。

其中，真空容器内摄像控制电缆分为两段：摄像机温控箱与真空容器之间的控制电缆一端连接Y27AⅢ-2237TK电连接器，另一端直接连接控制柜内的相应端子；真空容器内摄像机与法兰之间的电缆一端连接Y27AⅢ-2237TK电连接器，另一端通过Y2-19TK、Y2-19ZJ连接云台、照明灯。

进一步地，真空容器内摄像视频电缆分为两段，一段视频电缆一端连接控制柜内的视频录像机，另一端连接TNC穿墙视频插头；另一段视频电缆一端连接视频转接插头，另一端连接TNC穿墙视频插头。

其中，摄像机在黑背景下工作时，需要配置辅助光源。辅助光源通过安装架安装在真空容器内，照明方向与摄像方向一致。其辅助照明灯选用经过冷浸筛选后可在超低温条件中使用的低压LED灯。

其中，视频信号经过视频信号处理中心进行处理和存储，通过视频信号转换器进行模数转换成数字信号，并显示在显示终端上。另外视频信号处理中心也可连接交换机，直接将图像显示在电脑终端上。

与现有技术相比，本发明的用于高真空超低温环境中的无保护舱摄像系统，具有以下有益效果：

1.相比现有的其他种类真空环境中的摄像系统，最大的视场角；

2.占用真空容器内体积最小；

3.真空容器内视频、信号、控制等电缆走线最为便捷；

4.摄像图像的质量不受玻璃窗口限制；

5.拍摄360度图像时，需要的摄像机台数最少；

6.摄像机安装位置不受法兰开孔位置限制。

附图说明

图1为本发明的用于高真空超低温环境中的无保护舱摄像系统的结构示意图。

图2为本发明的系统中摄像机在真空容器内部安装位置示意图。

图3为本发明的系统中视频信号处理部分的结构示意图。

图4为本发明的摄像系统中电缆网示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的用于高真空超低温环境中的无保护舱摄像系统进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

图1为本发明的一实施方式的用于高真空超低温环境中的无保护舱摄像系统的结构示意图，其中，本发明的用于高真空超低温环境中的无保护舱摄像系统，包括设置真空容器内的3台摄像机、辅助光源及云台、设置在真空容器外 的云台控制器、摄像机温控机箱和视频处理单元，3台摄像机及辅助光源以覆盖容器内的全角落拍摄进行位置设置且摄像机的拍摄方向与辅助光源的照射方向相同，多个加热片通过真空容器壁上的真空密封法兰与摄像机温控箱电连接，并对加热片进行温度加热控制以控制摄像机的工作温度，各个云台的转动和辅助光源的照明也分别通过真空密封法兰与真空容器外的云台控制器和电源控制器进行电连接并进行控制，若干摄像机拍摄到的视频信号经过视频电缆穿过真空密封法兰引出至视频处理单元，视频处理单元进行视频图像处理后进行存储和显示。

摄像机在本系统中是关键部件,须选用带有金属外壳的摄像机。该摄像机需要经过特殊处理后,才能够在该系统中使用。该特殊防护处理，具体措施如下：

1)对所有运动部件采取去油处理，用酒精将润滑油洗掉，采用固体润滑剂二硫化钼润滑，确保其能在高真空下正常工作；

2)对全部设备采用热控与绝热措施，防止因温度变化而引起结构形变，确保其能在规定的温度范围内工作，具体实施如下：

a.首先需通过热计算确定薄膜加热片的电阻，根据已有的热设计经验，选用四个阻值均为48Ω的薄膜加热片，两两并联，分布在摄像机机壳的对称面上；

b.利用Pt100铂电阻进行测温，通过摄像机温控箱实现温度自动控制；

c.加热的同时还需要进行保温的处理，将摄像机和云台包裹在镀铝薄膜多层绝热层中；

d.支架与固定处均垫有耐低温的聚四氟乙烯绝热板。

本系统中摄像机按照120度角度均布在试验件周边，配合云台的转动，覆盖试验件360度全部表面的图像。摄像机在圆柱形立式真空容器内部布置关系如图2所示。

低温冷黑背景条件需要设置辅助照明光源才能够进行正常摄像。为了减少 对空间环境模拟器内部冷黑背景的影响，需要选用LED低压冷光源。选取30W左右的LED光源可满足使用要求。在选择该光源的灯后，需要进行批量的耐低温冷浸筛选，只能够使用筛选后合格的灯作为光源。该类辅助照明灯与摄像头可通过安装在真空容器内部。

视频信号经过视频电缆网引出真空容器后，需要经过视频信号处理后才能够显示、处理与存储。该视频信号处理采用以视频信号处理中心为核心的数字监控录像系统，其系统基于计算机，结构简单，便于联网和扩充，并实现视频数字化、系统网络化、应用多媒体化和管理智能化，如图3所示。所有视频信号接入视频信号处理中心，并通过视频信号转换器连接到显示终端上上。另外，视频信号处理中心还可以通过交换机连接到电脑上。另外摄像机配置了云台，可通过云台控制器直接对其进行控制。

其中，摄像机温控机箱采用PLC系统，采用加热片对摄像头、云台进行加热，控温选用数字温控仪。采用PID控制器和辅助光源驱动单元来调节辅助照明LED等的亮度

摄像相机温控箱采用独立硬件模块，提高控制精度，增加可扩展性。控制器选用模块式数字温控仪，具有自整定功能，通过ModBus通讯接口接受命令数据，并根据命令驱动固态继电器输出，从而控制摄像头温度，并将温度数据通过ModBus接口传输至PLC。

辅助照明亮度调节通过PID控制器和辅助光源驱动单元来实现。辅助照明采用220V AC供电，经交流变压器转换为36V AC串接在调功器回路上。调功器从PLC的AO模块接收4～20mA控制信号，并根据控制信号调节本回路输出功率。整流器将经调功器调节后的36V AC进行整流，最终向辅助照明LED灯提供36V DC照明电源。

视频电缆网包括三部分真空容器内部电缆网，穿墙法兰，以及真空容器外部分。真空容器内部电缆网采用耐低温电缆，穿墙法兰采用玻璃烧结密封穿墙电连接器，真空容器外采用常规优质电缆，如图4所示。

其中，真空容器内摄像控制电缆分为两段：摄像机温控箱与真空容器之间的控制电缆一端连接Y27AⅢ-2237TK电连接器，另一端直接连接控制柜内的相应端子；真空容器内摄像机与法兰之间的电缆一端连接Y27AⅢ-2237TK电连接器，另一端通过Y2-19TK、Y2-19ZJ连接云台、照明灯。真空容器内摄像视频电缆分为两段。一段视频电缆一端连接控制柜内的视频录像机，另一端连接TNC穿墙视频插头；另一段视频电缆一端连接视频转接插头，另一端连接TNC穿墙视频插头。真空容器外摄像电缆一端连接摄像机，另一端连接视频录像机。

摄像系统工作时，摄像头的正常工作环境通过特殊处理和保温保证。摄像头工作的角度通过云台来调节。摄像头工作时所必要的照明通过冷浸筛选后的LED辅助照明灯实现。其采集的图像通过视频电缆连接到真空穿墙法兰的密封接插件TNC上。法兰上的信号通过电缆连接到视频处理中心，进行图像的处理和存储。视频信号通过视频信号处理器转换成数字信号后进行远程的显示。另外监控终端可通过交换机连接到视频信号处理中心进行图像显示与控制。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。