車載紅外探測(cè)設(shè)備的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探索

馬洪濤　金輝　周興義

【摘 要】車載紅外線探測(cè)設(shè)備的光機(jī)結(jié)構(gòu)主要的作用就是要實(shí)時(shí)的檢測(cè)空氣質(zhì)量，該光機(jī)系統(tǒng)能夠360°高精度掃描反射鏡，利用有限元的方法實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的靜力學(xué)分析，從而實(shí)現(xiàn)車載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)剛度等要求，本文就對(duì)該光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】車載紅外線探測(cè)設(shè)備；環(huán)境監(jiān)測(cè)；光機(jī)結(jié)構(gòu)

在改革開(kāi)放的初級(jí)階段，國(guó)家在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)無(wú)暇顧及環(huán)境耳朵監(jiān)測(cè)和治理，因此某些地區(qū)環(huán)境再遭到破壞之后沒(méi)有及時(shí)的進(jìn)行治理，從而形成嚴(yán)重的霧霾天氣，給人們的生命健康帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。近年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)達(dá)到長(zhǎng)足的發(fā)展，人們也考試認(rèn)識(shí)到空氣質(zhì)量對(duì)于人們的危害，因此開(kāi)始空氣污染遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，在經(jīng)歷了激光毒劑報(bào)警技術(shù)、被動(dòng)紅外線技術(shù)等階段指導(dǎo)現(xiàn)在的紅外探測(cè)設(shè)備的研究，我國(guó)科學(xué)家對(duì)于氣體監(jiān)測(cè)的研究越發(fā)的深入，同樣取得了非常大的成績(jī)。本文就是針對(duì)目前所研究的車載紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究和具體的應(yīng)用以及實(shí)際的應(yīng)用，本文就從基于紅外見(jiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的車載光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討和分析。

一、車載紅外監(jiān)測(cè)設(shè)備光機(jī)結(jié)構(gòu)工作原理

在工作時(shí)由高精度的掃描機(jī)構(gòu)對(duì)二維空間進(jìn)行掃描，將污染性氣體所發(fā)出的特有的紅外輻射進(jìn)行吸收，并且能夠預(yù)先處理信息同時(shí)對(duì)其所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的鑒別，將處理和鑒別的結(jié)果直接輸送到探測(cè)器內(nèi)進(jìn)行進(jìn)行最后的分析，這樣在顯示界面便能夠?qū)⒖諝庵械奈廴疚锍煞帧⒎N類、含量以及具體的位置等信息展示出來(lái)，為車主或者環(huán)境監(jiān)測(cè)部門實(shí)時(shí)的提供準(zhǔn)確的空氣污染情況，詳見(jiàn)圖1所示。

二、光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在光機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮安全因素和檢測(cè)位置的準(zhǔn)確度情況，這樣才是獲取較高探測(cè)目標(biāo)能量的基礎(chǔ)，與此同時(shí)還要保證探測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性，該結(jié)構(gòu)的主要的要求包含3點(diǎn)：（1）要具備足夠的強(qiáng)度以支撐光學(xué)系統(tǒng)，并能夠在水平方向和各個(gè)方位實(shí)現(xiàn)360°掃描；（2）要具備足夠的剛度，保證在正常的工作和運(yùn)營(yíng)時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和定位的精準(zhǔn)性；（3）具備緩沖作用防止在出現(xiàn)振動(dòng)或者沖擊的情況下隨時(shí)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并能夠確保所探測(cè)的目標(biāo)光束的穩(wěn)定。

車載紅外探測(cè)設(shè)備的核心部位就是紅外光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要作用是：（1）要能夠接收并收集紅外輻射的能量；（2）能夠準(zhǔn)確確定所探測(cè)目標(biāo)的具體方向；（3）能夠在更大的視覺(jué)范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)和相應(yīng)的成像情況。紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)主要有3種類型，但是其各自的優(yōu)缺點(diǎn)也非常的明顯。①折射式：優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)非常的簡(jiǎn)單，因此在安裝調(diào)試和維修都會(huì)非常的方便和易操作；缺點(diǎn)是不能完全的消除色差。②反射式的優(yōu)點(diǎn)是能夠制作更大口徑的物鏡，其對(duì)于光能的損失非常少，與此同時(shí)在捕獲目標(biāo)和成像時(shí)不會(huì)出現(xiàn)色差的情況，能夠折迭光路；但是美中不足的是其穩(wěn)定性較差，軸外像差異非常明顯，利用金屬進(jìn)行鍍層導(dǎo)致光的反射率出現(xiàn)降低的情況。③折反射式：該種類型的優(yōu)點(diǎn)是可以將正球面的反射鏡的色差進(jìn)行校正，該種類型的球面反射鏡加工相對(duì)比較簡(jiǎn)單，加工成本比較低；其主要的缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生球差和場(chǎng)曲。紅外探測(cè)設(shè)備的光機(jī)系統(tǒng)其光學(xué)系統(tǒng)的選型也非常的重要，因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中不僅要考慮設(shè)備自身的重量同時(shí)還要保證獲取到準(zhǔn)確的探測(cè)能量。

雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱，雜散光主要產(chǎn)生于透射光、漏光學(xué)表面的參與反射，或者鏡筒內(nèi)比的殘余反射光等。因此可以總結(jié)為散射光的產(chǎn)生原因主要是光學(xué)表面的質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)如果光機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在工作時(shí)產(chǎn)生較大的熱量，那么熱輻射也會(huì)導(dǎo)致雜散光的產(chǎn)生。因此想要消除這些雜散光可以通過(guò)提升鏡面的反射率、在壓圈和精通內(nèi)部設(shè)置消除雜散光槽，從而將大量的雜散光消除。

目前在車載紅外探測(cè)設(shè)備中主要使用的是望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，常見(jiàn)的如格里高利系統(tǒng)和卡塞格林系統(tǒng)，本文就簡(jiǎn)單介紹一下卡塞格林系統(tǒng)。卡塞格林系統(tǒng)的主鏡是拋物面、次鏡是雙曲面，次鏡在主鏡內(nèi)部，在構(gòu)造中主鏡的焦點(diǎn)和次鏡的其中一個(gè)焦點(diǎn)重合，而次鏡的另一個(gè)焦點(diǎn)將作為整個(gè)系統(tǒng)的焦點(diǎn)。該系統(tǒng)給的優(yōu)點(diǎn)是焦距長(zhǎng)、鏡筒短因此該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常緊促，更容易放置接收器件等；但是球面鏡加工難度較大。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）整體機(jī)械機(jī)構(gòu)。在機(jī)械機(jī)構(gòu)中空間二維掃描望遠(yuǎn)系統(tǒng)是由反射鏡部件、防偽掃描部件、俯仰掃描部件以及隔震部件等組成，部件與部件之間采用圓柱定位進(jìn)行連接，同時(shí)還使用螺釘進(jìn)行緊固，這樣的連接方式其安裝、調(diào)試和后期的養(yǎng)護(hù)維修都非常的方便。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要對(duì)該結(jié)構(gòu)的整體重量盡可能的減輕處理，比如結(jié)構(gòu)上的零件等進(jìn)行輕量化處理，材料可以采用質(zhì)量更輕但是剛度等均符合要求的鎂鋁合金材質(zhì)。

（2）高精度二維掃描結(jié)構(gòu)：二維掃描結(jié)構(gòu)是整個(gè)紅外探測(cè)系統(tǒng)中的紅外望遠(yuǎn)鏡設(shè)備，其工作的波段是1-15um，該系統(tǒng)就是在進(jìn)行二維掃描時(shí)可以將遠(yuǎn)距離的大面積的紅外輻射進(jìn)行大量的收集，其結(jié)構(gòu)示意圖詳見(jiàn)圖3所示。

在對(duì)二維掃描結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中采用了渦輪蝸桿的連接方式，該鏈接桿的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大，同時(shí)傳動(dòng)的穩(wěn)定性較好，工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大的噪音同時(shí)還具備非常好的自鎖功能，該結(jié)構(gòu)采用了兩套蝸桿連接結(jié)構(gòu)，這樣能夠保證其實(shí)現(xiàn)俯視、仰視、水平等各個(gè)方位360度無(wú)死角掃描。但是在掃描的過(guò)程中需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣會(huì)造成導(dǎo)線之間的纏繞，為了解決這種現(xiàn)象，該結(jié)構(gòu)采用了導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，這樣杠桿之間實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，使得其導(dǎo)線的連接更加的方便，安全性也更高。

（3）隔振結(jié)構(gòu)：一般安裝的車載結(jié)構(gòu)都會(huì)受到來(lái)自兩個(gè)方面的作用力，分別是側(cè)向的沖擊作用和垂直向的沖擊作用，而這些沖擊力會(huì)導(dǎo)致探測(cè)的最終結(jié)果顯著下降。因此為了能夠降低沖擊載荷所帶來(lái)的影響，可以設(shè)計(jì)一些隔振結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如在設(shè)備的底部和側(cè)部相對(duì)距離較大的位置分別安裝能夠起到穩(wěn)定效用的隔振器，底部的主要是緩沖垂直方向的沖擊作用，而側(cè)面的隔振器則是消除側(cè)部的沖擊載荷作用。

三、結(jié)束語(yǔ)

車載紅外探測(cè)光機(jī)結(jié)構(gòu)是采用高精度掃描反射鏡的結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)進(jìn)行各個(gè)方位360度的掃描，并獲取收集所需要的信息，將所探測(cè)的空氣污染信息進(jìn)行處理顯示的污染探測(cè)設(shè)備，通過(guò)對(duì)其主要功能和結(jié)構(gòu)的介紹，能使人們更加了解在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)于車在環(huán)境的要求等，從而更好的進(jìn)行探測(cè)作業(yè)。

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