新型头盔式消防用红外热像仪的设计

摘 要：头盔式消防用红外热像仪因携带方便、轻便高效，逐渐被消防部队所接受。本文围绕一款新型头盔式消防用红外热像仪的设计展开探讨。总结了头盔式热像仪的现状与不足，提出了总体设计三原则。以GA635标准为基础，结合部队实战需求，确定了主要技术指标参数。综合对比分析一体式结构、目镜独立式结构和三分式结构的优缺点，选择三分式作为整体结构方案。经测试鉴定，新型头盔式消防用红外热像仪的设计是科学、合理的。

关键词：头盔式；消防用红外热像仪；设计

消防用红外热像仪具有将物体发出的不可见红外能量转换成可分辨图像信号的功能，而被广泛用于火情侦查、被困人员搜救、泄漏位置确定、火场清理、火灾调查等消防作业，是一项重要的灭火救援实战装备。消防用红外热像仪按佩戴使用方式可分为手持式和头盔式（头戴式）。头盔式消防用红外热像仪（以下简称头盔式热像仪）解放消防员双手，有利于单兵战斗力的充分发挥，符合消防单兵装备“轻便化、集成化”发展趋势，得到消防部队认可，配备使用力度逐步加大。作者团队研制了一款新型头盔式热像仪，文章将就新型头盔式热像仪的技术指标设计和整体结构设计与读者交流探讨。

1 现状与不足

头盔式热像仪通常是指以消防头盔为载体，将红外热像仪与之集成整合的一种红外热像仪。我国消防部队配备使用的头盔式热像仪种类较多，国产产品和进口产品兼有。调研了解到，实战中头盔式熱像仪携带便利、使用方便，但也存在不少需要进一步改进之处，主要包括：（1）灾害现场的高温和水易导致电子设备损坏，耐高温、防水两项性能须进一步提高；（2）重量较重，消防员头颈部易疲劳甚至损伤，须进一步减轻重量；（3）微型显示器作为目镜在实战中使用效果不佳，目镜的显示方式和结构急需改进。

2 总体设计原则

为更加符合实战需要，进一步提高使用效能，新型头盔式热像仪按照以下三原则展开设计：（1）参标原则。GA/T 635《消防用红外热像仪》标准对消防用红外热像仪性能指标及试验方法有明确规定，头盔式热像仪属消防用红外热像仪范畴，其设计性能指标应不低于GA/T 635标准。（2）舒适原则。头颈部是消防员相对脆弱的身体部位，头盔式热像仪要兼顾功能性和舒适性，减小体积、减轻重量、保持重心相对平衡。（3）头盔无损伤原则。消防头盔是消防员进入灾害现场必备的头部个人防护装备，头盔损伤意味着防护性能降低。

3 主要技术指标设定

新型头盔式热像仪按照总体设计三原则，以GA635标准为基础，并结合部队实战要求，确定了其主要技术指标参数。主要技术指标包括：采样帧速率、探测器类型、工作波段、重量、空间分辨力、噪声等效温差（NETD）、测温范围、温度测量允许误差、温度漂移、连续稳定工作时间、特定环境温度持续工作时间、抗跌落性能、外壳防水等13项。除“重量”指标外，其余12项技术指标参数均参照GA635标准设定。对重量而言，现有手持式消防用红外热像仪重量大都在3kg左右，头盔式热像仪大都在2kg左右，消防部队普遍反映现有头盔式热像仪重，长时间佩戴头颈部易疲劳。因此，作为新型头盔式热像仪的设计亮点，也是技术攻关的重点和难点问题，将新型头盔式热像仪的“重量”指标设定为“不大于1.5kg”，高于GA635标准规定的“不大于3kg”。

4 整体结构设计

新型头盔式热像仪主要由主机、目镜、连接固定装置、电池和头盔共五个主要部分组成。其中，红外热像仪主机是核心部分，包括机芯组件、镜头组件等；连接固定装置是用于将红外热像仪主机与头盔相连的机构；头盔用于承载红外热像仪。研究发现，提高头盔式热像仪佩戴舒适性除了减轻重量外，头部负载重心平衡也十分关键。为此设计了三种结构进行比较：

4.1 一体式结构

一体式结构将机芯、目镜、电池等做成一个整体，再由连接固定装置固定在消防头盔上。使用时，将主机整体下翻至眼前方。如图1所示。

一体式结构的特点是：（1）结构简单，没有复杂的连接机构，易于操作，可靠性高；（2）可借鉴手持式红外热像仪的结构进行整体防护，实现整机的耐高温、防水、抗跌落等性能的技术难度相对较小，当前国内外军队、消防等行业头盔式热像仪大多采用此种结构。

该设计不足之处在于：体积大、重量重，固定在帽檐上不利于头盔重心平衡，容易导致头盔前倾，增加消防员负担。

4.2 目镜独立式结构

该设计是将目镜分离出来，主机和目镜分别由连接固定装置固定在消防头盔的不同位置。使用时，只需将目镜翻转即可，主机不需翻转，如图2所示。其特点是：（1）重量分布较均衡，有利于稳定头盔的重心；（2）使用时仅需翻转目镜，翻转部分体体积小，操作更方便且不易发生磕碰。

不足之处在于：部件、连接件增多，实现耐高温、防水、抗跌落等性能的技术难度较大。

4.3 三分式结构

在目镜独立式结构基础上，再将电源分离出来。该结构中，电源不再固定在头盔上而是挂在消防腰带上，进一步减轻了重量，主机和目镜的重量更加接近，重心也更加平衡。

经综合分析比较，三分式结构在减轻重量和平衡重心两个方面更有优势，故选定三分式结构作为新型头盔式热像仪的整体结构方案。此外通过试验对比发现，消防员佩戴空气呼吸器作业时，空呼器面罩会导致消防员眼睛无法贴近微显示器，图像效果大打折扣，故选用3.5寸液晶屏作为新型头盔式热像仪的目镜。以此为基础，完成了新型头盔式热像仪的结构设计，如图3所示。

图3 新型头盔式热像仪设计图

新型头盔式热像仪的设计具有以下特点：

（1）主机和目镜分别固定在消防头盔左右两侧，有利于均衡分布重量，稳定头盔重心；（2）电池挂在消防腰带上，减轻头部负荷；（3）为便于调整观察角度，主机可在±15°内俯仰调节，如图4所示；（4）目镜位置可调，不使用时可放置在头盔顶上，战时再放下，携带更方便；（5）颜色采用黄色、银色和黑色，整体效果协调美观。

5 测试与结论

为检验设计合理性及产品性能，对生产加工出的新型头盔式热像仪实用产品（如图4所示）开展了一系列严格测试。新型头盔式热像仪的测试结果全部达到设计指标要求，已于2013年通过了国家消防装备质量监督检验中心的检验，截止到文章刊发为止，是当前国内外头盔式热像仪产品中唯一符合GA635标准要求并取得检验证书的产品，目前已配备消防部队使用，得到官兵认可。综上所述，新型头盔式热像仪的指标设计是科学的，基于三分式的结构设计是合理的。

参考文献

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[2]吴诚，苏君红，潘顺臣.非致冷红外焦平面技术述评（上）[J].红外技术，1999，21（1）：6-9.

[3]张晓青，王丽敏.基于红外探测技术的器材在消防领域中的应用[A].中国科学技术协会.2008年（第十届）中国科协年会论文集[C].2008.

作者简介：施巍（1981.8-）男，本科学历，现攻读同济大学工程硕士。任职于公安部上海消防研究所，副研究员，研究方向：消防抢险救援装备技术。