本發(fā)明屬于航天真空熱試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及高真空超低溫環(huán)境中的攝像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

航天器在升空與運(yùn)行的環(huán)境與常規(guī)地球表面的環(huán)境大不相同。太空環(huán)境是一個(gè)真空冷黑的環(huán)境，其中真空是指負(fù)壓環(huán)境，環(huán)境壓力在10^-5～10^-7Pa之間，冷黑環(huán)境是指無(wú)光照和低溫環(huán)境，溫度范圍在-100℃～-270℃之間。太空極端惡劣的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致航天器材料和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，例如材料的蒸發(fā)、分解、升華等。航天器在研制、發(fā)射、入軌、返回過(guò)程所要經(jīng)歷4個(gè)階段的環(huán)境，包括：地面環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、軌道環(huán)境(空間環(huán)境)、返回環(huán)境。為了航天器的可靠性，必須在地面模擬這4個(gè)階段的環(huán)境，并在這些環(huán)境做充分的試驗(yàn)，其中以空間環(huán)境最為重要，因素最復(fù)雜，影響最大，投資最多。經(jīng)驗(yàn)證明：航天器故障的70％是由于空間環(huán)境的影響而造成的?？臻g環(huán)境試驗(yàn)是航天器研制工作中的重要程序?？臻g環(huán)境模擬器主要是用來(lái)模擬衛(wèi)星及其組件在軌道運(yùn)行中經(jīng)歷的真空、冷黑、空間外熱流等主要空間環(huán)境的試驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備主要是為了驗(yàn)證衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，真空冷黑環(huán)境中衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)的可靠性，確保星上儀器和設(shè)備的溫度在允許范圍內(nèi)。

隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天器型號(hào)任務(wù)的不斷增多，其試驗(yàn)的難度也不斷增加。例如在熱真空試驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)部件需要在空間環(huán)境模擬器的真空冷黑環(huán)境中有旋轉(zhuǎn)、平移等動(dòng)作。在真空冷黑環(huán)境中，試驗(yàn)件表面的粘 貼眾多復(fù)雜的傳感器。在真空冷黑環(huán)境中，部分撓性結(jié)構(gòu)件會(huì)發(fā)生變形。上述的幾種工作狀態(tài)只是真空冷黑環(huán)境的中航天器試驗(yàn)件的幾個(gè)典型案例。這些復(fù)雜的工作狀態(tài)均需要一套可視的監(jiān)控系統(tǒng)去觀察，記錄其圖像信息。

目前，現(xiàn)有的攝像及照明系統(tǒng)均只能夠在常溫常壓的環(huán)境中使用。而在空間環(huán)境模擬器中，使用攝像與照明系統(tǒng)時(shí)，有兩種方式：第一種是攝像與照明系統(tǒng)放置在真空容器外，通過(guò)玻璃法蘭窗口進(jìn)行照明與攝像。第二種是攝像與照明系統(tǒng)通過(guò)保護(hù)艙放置在真空容器內(nèi)部。但是，這兩種都分別存在一定的不足。第一種攝相與照明放置在真空容器外，攝像的視場(chǎng)角較小，受到穿墻法蘭上玻璃窗大小的限制，其拍攝圖像質(zhì)量受限于玻璃透窗的性能。第二種攝像與照明系統(tǒng)通過(guò)保護(hù)艙放置在真空容器內(nèi)部時(shí)，其拍攝不僅受限于玻璃窗口，而且體積較大占用真空容器內(nèi)部有限的空間。為此，有必要設(shè)計(jì)一種新的攝像系統(tǒng)，以便在真空冷黑試驗(yàn)環(huán)境下能夠用最少的攝像機(jī)，占用最小空間，全方位無(wú)死角地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，記錄圖像信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于高真空超低溫環(huán)境中的無(wú)保護(hù)艙攝像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠直接在約10^-5Pa超低溫100K環(huán)境中使用，并能對(duì)真空冷黑環(huán)境中的試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行全程地，無(wú)死角的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本發(fā)明通過(guò)如下的技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)：

一種用于高真空超低溫環(huán)境中的無(wú)保護(hù)艙攝像系統(tǒng)，包括設(shè)置真空容器內(nèi)的若干攝像機(jī)及輔助光源、設(shè)置在真空容器外的云臺(tái)控制器、攝像機(jī)溫控機(jī)箱和視頻處理單元，若干攝像機(jī)及輔助光源以覆蓋容器內(nèi)的全角落拍攝進(jìn)行位置設(shè)置且攝像機(jī)的拍攝方向與輔助光源的照射方向相同，若干攝像機(jī)所有裸露的金屬外殼和攝像機(jī)底部的云臺(tái)上分別貼設(shè)有多個(gè)加熱片，多個(gè)加熱片通過(guò)真空容器壁上的真空密封法蘭與攝像機(jī)溫控箱電連接，并對(duì)加熱片進(jìn)行溫度加熱控制以控制攝像機(jī)的工作溫度，各個(gè)云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和輔助光源的照明也分別通過(guò)真空 密封法蘭與真空容器外的云臺(tái)控制器和電源控制器進(jìn)行電連接并進(jìn)行控制，若干攝像機(jī)拍攝到的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻電纜穿過(guò)真空密封法蘭引出至視頻處理單元，視頻處理單元進(jìn)行視頻圖像處理后進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

其中，攝像機(jī)溫控箱采用PLC系統(tǒng)，通過(guò)加熱片對(duì)攝像頭、云臺(tái)進(jìn)行加熱，控溫選用數(shù)字溫控儀。

其中，輔助光源為低壓LED燈，采用PID控制器和輔助光源驅(qū)動(dòng)單元來(lái)控制其亮度。

其中，低壓LED燈為耐低溫冷浸篩選的LED燈。

其中，所述攝像機(jī)經(jīng)過(guò)如下處理：

1)對(duì)所有運(yùn)動(dòng)部件采取去油處理，用酒精將潤(rùn)滑油洗掉，采用固體潤(rùn)滑劑二硫化鉬潤(rùn)滑，確保其能在高真空下正常工作；

2)將攝像機(jī)和云臺(tái)包裹在鍍鋁薄膜多層絕熱層中；且攝像機(jī)與云臺(tái)的固定處均墊有耐低溫的聚四氟乙烯絕熱板。

其中，加熱片為選用四個(gè)阻值均為48Ω的薄膜加熱片，兩兩并聯(lián)，分布在攝像機(jī)機(jī)殼的對(duì)稱面上。

其中，攝像相機(jī)溫控箱采用獨(dú)立硬件模塊，選用模塊式數(shù)字溫控儀，具有自整定功能，通過(guò)ModBus通訊接口接受命令數(shù)據(jù)，并根據(jù)命令驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器輸出，從而控制攝像頭溫度，并將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)ModBus接口傳輸至PLC。

其中，真空容器內(nèi)部采用的電纜為耐低溫電纜。

其中，真空容器內(nèi)攝像控制電纜分為兩段：攝像機(jī)溫控箱與真空容器之間的控制電纜一端連接Y27AⅢ-2237TK電連接器，另一端直接連接控制柜內(nèi)的相應(yīng)端子；真空容器內(nèi)攝像機(jī)與法蘭之間的電纜一端連接Y27AⅢ-2237TK電連接器，另一端通過(guò)Y2-19TK、Y2-19ZJ連接云臺(tái)、照明燈。

進(jìn)一步地，真空容器內(nèi)攝像視頻電纜分為兩段，一段視頻電纜一端連接控制柜內(nèi)的視頻錄像機(jī)，另一端連接TNC穿墻視頻插頭；另一段視頻電纜一端連接視頻轉(zhuǎn)接插頭，另一端連接TNC穿墻視頻插頭。

其中，攝像機(jī)在黑背景下工作時(shí)，需要配置輔助光源。輔助光源通過(guò)安裝架安裝在真空容器內(nèi)，照明方向與攝像方向一致。其輔助照明燈選用經(jīng)過(guò)冷浸篩選后可在超低溫條件中使用的低壓LED燈。

其中，視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻信號(hào)處理中心進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，通過(guò)視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并顯示在顯示終端上。另外視頻信號(hào)處理中心也可連接交換機(jī)，直接將圖像顯示在電腦終端上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的用于高真空超低溫環(huán)境中的無(wú)保護(hù)艙攝像系統(tǒng)，具有以下有益效果：

1.相比現(xiàn)有的其他種類真空環(huán)境中的攝像系統(tǒng)，最大的視場(chǎng)角；

2.占用真空容器內(nèi)體積最??；

3.真空容器內(nèi)視頻、信號(hào)、控制等電纜走線最為便捷；

4.攝像圖像的質(zhì)量不受玻璃窗口限制；

5.拍攝360度圖像時(shí)，需要的攝像機(jī)臺(tái)數(shù)最少；

6.攝像機(jī)安裝位置不受法蘭開(kāi)孔位置限制。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的用于高真空超低溫環(huán)境中的無(wú)保護(hù)艙攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)中攝像機(jī)在真空容器內(nèi)部安裝位置示意圖。

圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)中視頻信號(hào)處理部分的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的攝像系統(tǒng)中電纜網(wǎng)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的用于高真空超低溫環(huán)境中的無(wú)保護(hù)艙攝像系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，該說(shuō)明僅僅是示例性的，并不旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1為本發(fā)明的一實(shí)施方式的用于高真空超低溫環(huán)境中的無(wú)保護(hù)艙攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，本發(fā)明的用于高真空超低溫環(huán)境中的無(wú)保護(hù)艙攝像系統(tǒng)，包括設(shè)置真空容器內(nèi)的3臺(tái)攝像機(jī)、輔助光源及云臺(tái)、設(shè)置在真空容器外 的云臺(tái)控制器、攝像機(jī)溫控機(jī)箱和視頻處理單元，3臺(tái)攝像機(jī)及輔助光源以覆蓋容器內(nèi)的全角落拍攝進(jìn)行位置設(shè)置且攝像機(jī)的拍攝方向與輔助光源的照射方向相同，多個(gè)加熱片通過(guò)真空容器壁上的真空密封法蘭與攝像機(jī)溫控箱電連接，并對(duì)加熱片進(jìn)行溫度加熱控制以控制攝像機(jī)的工作溫度，各個(gè)云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和輔助光源的照明也分別通過(guò)真空密封法蘭與真空容器外的云臺(tái)控制器和電源控制器進(jìn)行電連接并進(jìn)行控制，若干攝像機(jī)拍攝到的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻電纜穿過(guò)真空密封法蘭引出至視頻處理單元，視頻處理單元進(jìn)行視頻圖像處理后進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

攝像機(jī)在本系統(tǒng)中是關(guān)鍵部件,須選用帶有金屬外殼的攝像機(jī)。該攝像機(jī)需要經(jīng)過(guò)特殊處理后,才能夠在該系統(tǒng)中使用。該特殊防護(hù)處理，具體措施如下：

1)對(duì)所有運(yùn)動(dòng)部件采取去油處理，用酒精將潤(rùn)滑油洗掉，采用固體潤(rùn)滑劑二硫化鉬潤(rùn)滑，確保其能在高真空下正常工作；

2)對(duì)全部設(shè)備采用熱控與絕熱措施，防止因溫度變化而引起結(jié)構(gòu)形變，確保其能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)工作，具體實(shí)施如下：

a.首先需通過(guò)熱計(jì)算確定薄膜加熱片的電阻，根據(jù)已有的熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選用四個(gè)阻值均為48Ω的薄膜加熱片，兩兩并聯(lián)，分布在攝像機(jī)機(jī)殼的對(duì)稱面上；

b.利用Pt100鉑電阻進(jìn)行測(cè)溫，通過(guò)攝像機(jī)溫控箱實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制；

c.加熱的同時(shí)還需要進(jìn)行保溫的處理，將攝像機(jī)和云臺(tái)包裹在鍍鋁薄膜多層絕熱層中；

d.支架與固定處均墊有耐低溫的聚四氟乙烯絕熱板。

本系統(tǒng)中攝像機(jī)按照120度角度均布在試驗(yàn)件周邊，配合云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，覆蓋試驗(yàn)件360度全部表面的圖像。攝像機(jī)在圓柱形立式真空容器內(nèi)部布置關(guān)系如圖2所示。

低溫冷黑背景條件需要設(shè)置輔助照明光源才能夠進(jìn)行正常攝像。為了減少 對(duì)空間環(huán)境模擬器內(nèi)部冷黑背景的影響，需要選用LED低壓冷光源。選取30W左右的LED光源可滿足使用要求。在選擇該光源的燈后，需要進(jìn)行批量的耐低溫冷浸篩選，只能夠使用篩選后合格的燈作為光源。該類輔助照明燈與攝像頭可通過(guò)安裝在真空容器內(nèi)部。

視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻電纜網(wǎng)引出真空容器后，需要經(jīng)過(guò)視頻信號(hào)處理后才能夠顯示、處理與存儲(chǔ)。該視頻信號(hào)處理采用以視頻信號(hào)處理中心為核心的數(shù)字監(jiān)控錄像系統(tǒng)，其系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于聯(lián)網(wǎng)和擴(kuò)充，并實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)字化、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、應(yīng)用多媒體化和管理智能化，如圖3所示。所有視頻信號(hào)接入視頻信號(hào)處理中心，并通過(guò)視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接到顯示終端上上。另外，視頻信號(hào)處理中心還可以通過(guò)交換機(jī)連接到電腦上。另外攝像機(jī)配置了云臺(tái)，可通過(guò)云臺(tái)控制器直接對(duì)其進(jìn)行控制。

其中，攝像機(jī)溫控機(jī)箱采用PLC系統(tǒng)，采用加熱片對(duì)攝像頭、云臺(tái)進(jìn)行加熱，控溫選用數(shù)字溫控儀。采用PID控制器和輔助光源驅(qū)動(dòng)單元來(lái)調(diào)節(jié)輔助照明LED等的亮度

攝像相機(jī)溫控箱采用獨(dú)立硬件模塊，提高控制精度，增加可擴(kuò)展性?？刂破鬟x用模塊式數(shù)字溫控儀，具有自整定功能，通過(guò)ModBus通訊接口接受命令數(shù)據(jù)，并根據(jù)命令驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器輸出，從而控制攝像頭溫度，并將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)ModBus接口傳輸至PLC。

輔助照明亮度調(diào)節(jié)通過(guò)PID控制器和輔助光源驅(qū)動(dòng)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。輔助照明采用220V AC供電，經(jīng)交流變壓器轉(zhuǎn)換為36V AC串接在調(diào)功器回路上。調(diào)功器從PLC的AO模塊接收4～20mA控制信號(hào)，并根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)本回路輸出功率。整流器將經(jīng)調(diào)功器調(diào)節(jié)后的36V AC進(jìn)行整流，最終向輔助照明LED燈提供36V DC照明電源。

視頻電纜網(wǎng)包括三部分真空容器內(nèi)部電纜網(wǎng)，穿墻法蘭，以及真空容器外部分。真空容器內(nèi)部電纜網(wǎng)采用耐低溫電纜，穿墻法蘭采用玻璃燒結(jié)密封穿墻電連接器，真空容器外采用常規(guī)優(yōu)質(zhì)電纜，如圖4所示。

其中，真空容器內(nèi)攝像控制電纜分為兩段：攝像機(jī)溫控箱與真空容器之間的控制電纜一端連接Y27AⅢ-2237TK電連接器，另一端直接連接控制柜內(nèi)的相應(yīng)端子；真空容器內(nèi)攝像機(jī)與法蘭之間的電纜一端連接Y27AⅢ-2237TK電連接器，另一端通過(guò)Y2-19TK、Y2-19ZJ連接云臺(tái)、照明燈。真空容器內(nèi)攝像視頻電纜分為兩段。一段視頻電纜一端連接控制柜內(nèi)的視頻錄像機(jī)，另一端連接TNC穿墻視頻插頭；另一段視頻電纜一端連接視頻轉(zhuǎn)接插頭，另一端連接TNC穿墻視頻插頭。真空容器外攝像電纜一端連接攝像機(jī)，另一端連接視頻錄像機(jī)。

攝像系統(tǒng)工作時(shí)，攝像頭的正常工作環(huán)境通過(guò)特殊處理和保溫保證。攝像頭工作的角度通過(guò)云臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)。攝像頭工作時(shí)所必要的照明通過(guò)冷浸篩選后的LED輔助照明燈實(shí)現(xiàn)。其采集的圖像通過(guò)視頻電纜連接到真空穿墻法蘭的密封接插件TNC上。法蘭上的信號(hào)通過(guò)電纜連接到視頻處理中心，進(jìn)行圖像的處理和存儲(chǔ)。視頻信號(hào)通過(guò)視頻信號(hào)處理器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行遠(yuǎn)程的顯示。另外監(jiān)控終端可通過(guò)交換機(jī)連接到視頻信號(hào)處理中心進(jìn)行圖像顯示與控制。

盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說(shuō)明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。