¹光学辐射重点实验室，北京

²空军装备部驻北京地区军事代表局驻北京地区第一军事代表室，北京

收稿日期：2021年3月13日；录用日期：2021年6月2日；发布日期：2021年6月11日

摘要

外层空间电磁环境复杂，作为空间载荷的重要组成部分之一，空间相机的设计要求高可靠性，其中良好的电磁防护与兼容性不可或缺。本文从空间相机的实际场景出发，分析了外层空间的电磁环境，包括可能出现的外层空间电磁干扰、产品自身的电磁自兼容和对外电磁辐射及其影响，针对性设计电磁防护与兼容措施，定量分析产品的电磁防护与兼容性能，最后通过产品实际设计和第三方检测，验证了设计的正确性。

关键词

电磁，防护，兼容，空间，相机

Electromagnetic Protection and Compatible Design of Space Camera

Jinbao Yang^1*, Chunrong Huang², Xi Yang², Lin Chen²

¹Science and Technology on Optical Radiation Laboratory, Beijing

²1^st Military Representative Office, Military Representative Bureau, Air Force Equipment Department in Beijing, Beijing

Received: Mar. 13^th, 2021; accepted: Jun. 2^nd, 2021; published: Jun. 11^th, 2021

ABSTRACT

The electromagnetic environment in outer space is complex. As one of the important components of space load, the design of space camera requires high reliability, among which good electromagnetic protection and compatibility are indispensable. Starting from the actual scene of space camera, the electromagnetic environment in outer space was analyzed in this paper, including possible electromagnetic interference in outer space, electromagnetic compatibility of products themselves and external electromagnetic radiation. Electromagnetic protection and compatibility measures were designed in this paper while electromagnetic protection and compatibility of products were quantitatively analyzed, and finally the correctness of the design was verified through actual product design and third-party testing.

Keywords:Electromagnetic, Protection, Compatibility, Space, Camera

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1. 引言

外层空间由于没有大气层防护，其电磁环境复杂，主要包括宇宙辐射、强爆炸特别是核爆炸产生电磁脉冲和自身电磁辐射与兼容等 [1] [2]。

空间环境中包括地球捕获带电子和质子、太阳耀斑质子、宇宙线质子辐射等，其产生的总剂量效应会改变航天器的结构功能材料、电子元器件的物理性能，它使玻璃材料在严重辐照后会变黑变暗，透过率降低；热控材料发射率、吸收率变化；有机材料的物理性能和机械性能下降；半导体器件性能衰退等 [3] [4]。

核电磁脉冲是核爆炸瞬间产生的一种强电磁波。它与自然界的雷电十分相似，其杀伤半径随爆炸高度升高而增大，核电磁脉冲的影响危害半径可达几千功率，它能消除计算机内储存的信息，使自动控制系统失灵，无线通讯受到干扰和损坏。核电磁脉冲影响和攻击电子设备的过程中，通过辐射耦合和传到耦合(这两种耦合往往是交杂在一起的)进行破坏和干扰电子设备，其表现形式为产生瞬态的高电压和高电流，进而损坏设备 [5]。

空间相机在对宇宙辐射与核电磁脉冲的防护外，其自身的电磁兼容环境也极为重要，甚至为主要影响因素。电磁自兼容一方面能够减少自身对外界产品的辐射影响，如对北斗系统等导航信号的电磁干扰；一方面能够减少外部产品对自身的辐射影响，如电源注入干扰等 [6] [7]。

因此，为保证空间相机工作可靠性，需要定量分析空间电磁环境并进行针对性设计，并按照GJB151B弹载光电产品的要求进行电磁兼容试验考核，如表1所示，通过实际实验数据验证其有效性 [8] [9]。

表1. 空间相机电磁兼容要求

2. 相机组成

空间由光学镜头和CMOS成像器件组成，光学镜头实现场景和被观测目标的可见光成像，CMOS成像器件对前端光学镜头聚焦于靶面的光信号进行光电转换，输出数字视频信号给信息处理单元，三维效果如图1所示。

图1. 空间相机三维模装图

空间相机外壳采用铝合金材料，结构件连接部分均采用齿口耦合设计，并涂抹导电胶以保证壳体电连续性。

镜头光学窗口外表面镀具有较低面电阻的ITO膜，保证在可见光光学波段具有较高光学透过率，且能够有效屏蔽该波段以外的其他干扰电磁波背景，从而提高相机自身电磁屏蔽能力。

CMOS成像组件采用27 V供电，根据功能划分，在电路实现时使用三块电路板实现，分别为：成像板、信息处理板和电源板，如图2所示。

图2. PCB实物

3. 空间电磁防护与设计

3.1. 空间宇宙辐射防护

3.1.1. 防护设计

对于本文所设计的空间相机，其轨道主要位于地球内辐射带中，因此采用辐射带质子AP8MAX模型分析高能质子环境，采用辐射带电子AE8MAX模型分析高能电子环境，太阳耀斑质子环境选用JPL模型分析，且不考虑特大太阳耀斑爆发事件的发生 [10] [11]。根据得到的高能粒子通量数据计算电离辐射总剂量与屏蔽厚度的关系，如表2所示，相应的曲线如图3所示。单位mmAl表示铝材料的屏蔽厚度，单位为毫米。

表2. 电离辐射总剂量–深度数据

图3. 电离辐射总剂量–深度曲线

产品的外壳厚度设计为3 mmAl，可以认为产品中所有器件的屏蔽厚度都至少为3 mm铝材料。查询分析结果表格可知，器件的电离辐射总剂量为1.07 rad(Si)。该数值很小，根据经验数据，可以忽略电离辐射总剂量对产品性能的影响。

3.1.2. 设计验证

为进一步验证空间辐照剂量影响，对样机进行单机试验，由于要求的剂量相对较小，试验一起最小剂量为要求剂量的5倍，辐照过程中能够正常工作，试验场地如图4所示。

图4. 辐照试验场地

产品工作正常，5倍剂量环境下，辐照过程中采集到的视频图像正常。

3.2. 核电磁脉冲防护

3.2.1. 防护设计

核电磁脉冲对电子设备的破坏作用一般可分为两类：功能损坏和工作干扰。核电磁脉冲对电子设备的破坏是电磁作用的结果，可以根据电磁原理采取必要的措施进行防护。

针对电磁脉冲的防护，采取了壳体屏蔽、滤波和电涌保护、接口及互连线、镜头镀膜等设计措施。

相机结构外壳材质为硬铝合金，设计厚度3 mm。摄像单元的前端壳体与后盖连接处采用止口设计。观测信息处理单元上下端盖与电路板间的接合处加工有密封圈槽，用于安装导电密封圈。均具有良好的电磁密闭性，能够起到屏蔽外部电磁脉冲的作用。

针对J30连接器与设备面板的连接接缝，这类缝的面积与最大线度尺寸均不大，长度一般为3 cm左右，但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大，从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大，往往导致整个设备的辐射发射出现超标，为此应采用导电橡胶等连接器导电衬垫。

镜头设计中，通过在光学窗口外表面镀具有较低面电阻的ITO膜，保证在可见光光学波段具有较高光学透过率，且能够有效屏蔽该波段以外的其他干扰电磁波背景，从而提高相机自身电磁屏蔽能力。

透明导电薄膜(ITO膜)是一种半导体薄膜 [12]，具有较低的电阻率(约为10⁻¹ Ω·cm)可见光透过率可达85%以上，紫外线吸收率大于85%。因其具有复折射率(n-ik)在红外有大的k值，这种高k值使ITO膜在红外波处有高反射率，其对红外波反射率大于80%，对微波衰减率大于85%。而自由载流子的反射对长波、包括射频和雷达波造成衰减，而形成屏蔽。ITO膜层硬度高、耐磨、耐化学腐蚀；采用电子束加热真空蒸镀的方法制备ITO膜，即利用高能电子束来轰击锢、锡氧化物混合料表面，使其升华，然后沉淀在衬底上形成TIO膜，这种方法可以制备出方块电阻较小，致使入射电磁波产生的吸收损耗和反射损耗较大，因而屏蔽系数值较大。

相机在27 V电源输入端加入滤波器和隔离型DC/DC，对电源进行滤波处理，可以防止电磁脉冲通过电源对设备造成的影响。

同时，在27 V电源输入端加入瞬态电压抑制二极管，可以有效防止外部瞬间大电压对内部电路的损坏。

3.2.2. 设计验证

与传统产品相比，本次试验增加抗核电磁脉冲要求，整个设备除成像镜头光学玻璃外，均为金属封装，因此，最为薄弱的是光学玻璃。本次光学玻璃采用镀导电膜设计，将电磁脉冲能量衰减30 dB以上。为验证产品效能，进行抗核电磁脉冲摸底试验，试验在航天203所进行，结果如表3所示，实验现场如图5所示。

表3. 不同频率下的衰减情况

图5. 试验装置与现场

从试验可以看出，通过对光学玻璃增加金属镀膜设计，电磁脉冲能量衰减可达30 dB以上，满足相关设计要求。

3.3. 电磁兼容性设计

3.3.1. 频率兼容性设计

根据RE102试验在1.54 GHz~1.62 GHz和5.2 GHz~6.21 GHz频段有下凹要求，分析空间相机各电路工作频率情况。电路板上尽量选择较低频率的晶振，晶振频率有50 MHz、25 MHz、22.579 MHz和20 MHz，DSP内部倍频后工作频率为600 MHz，SDRAM工作频率100 MHz，对外通讯接口速率为2 MHz和1.5 MHz，串行视频时钟频率为60 MHz。以上频率中，600 MHz在1.54 GHz~1.62 GHz和5.2 GHz~6.21 GHz频段内没有高次谐波，50 MHz、2 MHz和1.5MHz通信接口时钟不会对此频段有影响；25 MHz、22.579和20 MHz在此频段的高次谐波倍数均在61以上，能量很小，基本没有影响；100MHz在两个频段内高次谐波倍数分别为16和60，60 MHz在两个频段内高次谐波倍数大于26和87，通过高速布线和铺地保护可以有效减少时钟对外辐射。视频信号时钟1.44 GHz的4次谐波在5.2 GHz~6.21 GHz频段内，采取差分线缆对儿屏蔽加电缆外屏蔽，以及接插件尾端良好屏蔽处理和接地等措施减小其对外辐射影响。

CE102为电源线传导发射试验，目的为检验设备内部的干扰频率是否会通过电源线和地线对外进行发射。针对CE102试验的设计措施包括两种：滤波连接器和EMI滤波器。单元结构件上的对外连接器采用带滤波的J30J，可以保证滤波功能位于最靠近电源输入端的连接器上，这种方式为对电源滤波最理想的设计方式，可对减少电路中的串扰频率和结构内部空间的串扰频率。此外，在电源进入到电源接口板上，设计有一个EMI电源滤波器模块，可对后级隔离电源的开关频率和处理板串扰到电源上的频率进行抑制。

CS101为电源线传导敏感度试验，目的为检验设备在电源线上加入干扰时，设备工作是否正常。设计和解决方法同CE102的设计方式。

CS112为静电放电敏感度试验，当给设备信号端口静电时，检验设备是否会因为静电导致损坏。设计在所有的连接器信号(包括电源、RS485、Cameralink)均具备防静电能力，电源进入电源芯片和模块，本身具备防静电能力，RS485接口芯片具备防静电能力，同时增加了总线的ESD器件，Cameralink收发芯片也具备防静电能力，因此CS112试验并不会对设备造成损坏。

CS114为电缆束注入传导敏感度试验，在于检查射频信号耦合到电缆束上时设备的敏感度。空间相机为纯数字功能产品，无射频和天线部分，对外连接的信号主要包括28 V电源、5 V电源、RS485、RS422和Cameralink信号，这些电源和数字信号对射频耦合信号并不敏感，因此此项试验无风险。

CS115为电缆束注入脉冲激励传导敏感度，设计方法同CS114。

CS116为电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度，设计方法同CE102。

RS103为电场辐射敏感度，设计方法同CS114。

3.3.2. 屏蔽性设计

每块电路板之间都有安装有导电密封条。调试口及接插件安装口都有定制的导电橡胶垫。保证各接缝处的密封效果 [13]。

镜头设计中，通过在光学窗口外表面镀具有较低面电阻的ITO膜，保证在可见光光学波段具有较高光学透过率，且能够有效屏蔽该波段以外的其他干扰电磁波背景，从而提高相机自身电磁屏蔽能力。

针对空间相机规避北斗导航频段，采取了合理的接地和屏蔽措施，具体措施如下：

a) FPGA和DSP底部和周围布局大面积地平面，吸收器件的频率辐射 [14] [15]；

b) 器件上表面设置金属散热板，金属散热板对频率辐射具有一定的反射作用，绝大部分辐射反射回电路板地平面；

c) 整机外壳所有接缝处均采取到导电密封条进行电磁密封处理；

d) 对所有晶振均设计金属屏蔽罩进行密封，最大程度上减少晶振的辐射能量；

e) 晶振电源输入端采用滤波器滤波；

f) 在电源和信号线的连接器端均加有滤波器件对向外辐射的频率进行过滤。

4. 实验验证

为进一步验证设计的正确性，对研制的空间相机开展第三方电磁兼容性试验，在9项试验中，产品工作正常，满足技术要求，如图6是CE102和RE102的第三方测试结果。图7是所有电磁兼容试验项第三方检测评估结果，所有试验项全部通过。

图6. 产品实测图(CE102和RE102)

图7. 第三方试验考核

5. 结论

本文对空间相机的电磁防护与兼容设计进行了系统性分析，从宇宙空间电磁辐射、核电磁脉冲、自身电磁兼容三方面对空间相机的防护与兼容进行针对性的设计并提出了响应的设计措施，包括电路和结构设计均采取了频率、屏蔽、接地、滤波等。实验摸底和第三方试验结果表明，本文设计正确，所设计的空间相机电磁防护与兼容性能良好，能够满足使用方提出的全部9项性能要求，在实际空间载荷设计与应用中有广泛的参考价值。

基金项目

航天自主创新基金(110000317FSKY01)。

文章引用

杨金宝,黄春蓉,杨 曦,陈 琳. 空间相机电磁防护与兼容设计
Electromagnetic Protection and Compatible Design of Space Camera[J]. 光电子, 2021, 11(02): 45-53. https://doi.org/10.12677/OE.2021.112006

参考文献