多光譜共軸激光光學成像測量系統(tǒng)設計

呂南方

摘 要：本文設計了一套可見光、激光成像和激光測距共孔徑的跟蹤/引導系統(tǒng)。采用共孔徑光學結構，可見光系統(tǒng)焦距1 200mm，激光成像系統(tǒng)焦距1 500mm。通過共孔徑設計，極大壓縮了系統(tǒng)尺寸，進而降低了其在跟蹤過程中的轉動慣量。以地平式U型結構為基礎，設計了系統(tǒng)的精密伺服轉臺結構，通過靜態(tài)分析、模態(tài)分析及環(huán)境適應性分析，對設計結果進行了初步驗證。試驗證明，系統(tǒng)俯仰和方位軸系的晃動誤差均小于3″，可以實現對目標的精確瞄準及跟蹤。

關鍵詞：多譜段；共孔徑；精密伺服轉臺；有限元分析

中圖分類號：TH703 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0006-06

Design of Multi spectral Coaxial Laser Optical Imaging Measurement System

LYU Nanfang

（Department of Physics， Capital Normal University，Beijing 100048）

Abstract： This paper designed a tracking / guidance system for visible light， laser imaging and laser ranging. Using the common aperture optical structure， the focal length of the visible light system was 1 200mm and the focal length of the laser imaging system was 1 500mm. Through the common aperture design， the system size was greatly compressed， and the moment of inertia in the tracking process was reduced. Based on the horizontal U type structure， the precision servo turntable structure was designed. The design results were preliminarily verified through static analysis， modal analysis and environmental adaptability analysis. The experiments showed that the sway error of the system's pitch and azimuth shafting was less than 3 "， which could achieve the precise targeting and tracking of the target.

Keywords： multispectral section；common aperture；precision servo turntable；finite element analysis

近年來，無人機技術得到了飛速發(fā)展，而無人機也憑借其靈活機動的特點在軍事、農林業(yè)和資源普查等領域得到了越來越廣泛的應用。為了保障無人機在起飛和近地飛行過程中的安全性，實現在降落過程中的實時引導，就需要獲取目標的可見光圖像和相對位置信息（即采用激光成像或激光測距等手段對目標進行探測），并在一定范圍內對目標實現跟蹤[1，2]。但如果簡單地將多套光學系統(tǒng)疊加在一起以實現系統(tǒng)的多功能化，則必然導致系統(tǒng)體積龐大、結構復雜和跟蹤機動性降低。因此，采用多譜段共孔徑的結構方案，以滿足對目標進行不同波段信息探測的要求，同時為了保證系統(tǒng)指向的穩(wěn)定性，采用高精度二維伺服轉臺來實現系統(tǒng)對目標的實時跟蹤[3]。

多譜段共孔徑跟蹤/引導系統(tǒng)的突出特點為：①為了提高系統(tǒng)的使用效率，考慮不同大氣窗口的透過率，系統(tǒng)可實現在可見光波段（380～750nm）及近紅外（1 064nm）波長附近進行成像，并采用1 550nm脈沖激光器進行測距，因此需要滿足各波段像質要求；②綜合系統(tǒng)技術要求，伺服轉臺需要在方位、俯仰兩個方向進行精確轉動，以實現對空中目標的跟蹤；③系統(tǒng)發(fā)射、接收光路采用共孔徑結構形式，轉動慣量相對較大，對系統(tǒng)結構指標提出更為嚴格的技術要求。本文根據系統(tǒng)技術需求，著重考慮了系統(tǒng)的總體方案，并對系統(tǒng)的光學、機械結構及溫度適應性等方面進行深入分析和較為詳細的論述。

1 主要技術指標

多譜段共孔徑跟蹤/引導系統(tǒng)是在光學系統(tǒng)各方面指標滿足系統(tǒng)性能要求下展開的設計，通過對系統(tǒng)結構組件和伺服轉臺的設計，滿足光學系統(tǒng)各元件的面型精度要求、各元件間相對位置精度要求、系統(tǒng)的跟蹤精度要求及環(huán)境適應性要求。系統(tǒng)的主要技術指標如表1所示。

2 光學系統(tǒng)設計

根據系統(tǒng)參數，設計了一套可見光焦距為1 200mm、激光成像系統(tǒng)焦距為1 500mm的共孔徑光學系統(tǒng)。系統(tǒng)主光學系統(tǒng)為同軸兩反系統(tǒng)，后光路采用棱鏡和補償鏡組合的分光形式，以實現不同譜段分別成像。同時，利用同軸系統(tǒng)次鏡對主鏡的中心遮攔，將激光發(fā)射光路放置在主光學系統(tǒng)下部，最終實現了激光發(fā)射路、可見光成像、激光成像和激光測距共孔徑的光學結構形式，如圖1所示。

經過優(yōu)化設計，可見光成像系統(tǒng)與激光成像系統(tǒng)MTF曲線如圖2所示，可見光系統(tǒng)全視場MTF均大于0.45，激光成像系統(tǒng)全視場MTF均大于0.83，各系統(tǒng)傳函均接近衍射極限。

3 機械結構設計

系統(tǒng)主要由頭部成像組件和跟蹤組件兩部分組成。頭部成像組件采用同軸折反射式結構，同軸光學系統(tǒng)的結構設計方法已十分成熟[4，5]。在設計過程中，應充分利用系統(tǒng)的對稱形式合理布局各組件位置，盡量降低整機的轉動慣量，提高系統(tǒng)跟蹤的穩(wěn)定性，具體設計過程在此不再贅述。

跟蹤組件主要由精密伺服轉臺構成，是系統(tǒng)的關鍵致動部件及承載平臺。精密伺服轉臺采用地平式U型結構，主要由平行于水平面的俯仰軸系和垂直于水平面的方位軸系組成，以保證系統(tǒng)的跟蹤指向精度≤3″。

3.1 俯仰軸系設計

俯仰軸系的關鍵部件主要包括：四通，左、右半軸及軸承，U型框架結構，力矩電機，編碼器，停擋機構及微調機構等，如圖3所示。

3.1.1 四通結構設計。四通是精密伺服轉臺的重要結構組件之一，其主要作用有兩方面：①作為承載部件，內部安裝光學及相應的電子學設備，要求組件具有良好的剛度及強度；②作為運動部件，在俯仰方向對目標進行跟蹤與測量，要求組件具有較低的轉動慣量及較高的諧振頻率。因此，在設計過程中采用對稱的結構形式，在保證內部光電探測器安裝空間的同時采用十字格筋板結構加強組件剛度。同時，通過鑄造成型工藝對四通進行加工，以保證組件結構的穩(wěn)定性，避免局部應力集中發(fā)生。系統(tǒng)所采用的四通結構如圖4所示。

3.1.2 U型結構設計。U型結構內部組件主要包括左右立柱、左右水平軸、微調機構和U型框架?，F分別對U型結構中的主要組件進行介紹。

3.1.2.1 U型框架。U型框架為俯仰軸的基礎結構，通過左右水平軸將四通固定在框架上。為了保證加工工藝性，U型框架整體采用鋁合金鑄造成型，同時在設計和加工過程中應保證左右軸安裝位置的圓柱度和同軸度，并進行輕量化處理。

3.1.2.2 左、右水平軸。左、右水平軸主要由水平半軸及軸承組成，是俯仰軸中重要的運動組件之一。在結構設計上應保證組件具有足夠的剛度和強度，且拆卸方便，以保證運動過程中的穩(wěn)定性。軸系采用過盈配合進行安裝，因此，俯仰軸晃動誤差主要來源于軸承的游隙上，系統(tǒng)俯仰軸兩端軸承支撐的跨距為300mm，游隙為0.07mm，則俯仰軸晃動誤差可以近似地表示為：

[tanσp=δLP] （1）

因此，系統(tǒng)俯仰軸晃動誤差[σal=1.68″<2″]，滿足系統(tǒng)指標要求。

3.1.2.3 微調機構。微調機構位于左立柱內部，主要由渦輪蝸桿機構組成，左立柱外側手輪與蝸桿連接，渦輪與軸系連接。通過手輪與渦輪、蝸桿的配合帶動俯仰軸進行手動微調，以實現對靜態(tài)目標的準確瞄準及系統(tǒng)俯仰軸的調整檢驗。

3.2 方位軸系設計

方位軸系主要由方位軸、軸承、角度測量裝置及調平基座組成，如圖5所示。方位軸上部通過螺釘連接俯仰軸系U型框架底端，下部連接系統(tǒng)調平基座，是系統(tǒng)重要的連接組件。為了盡量減少方位軸的重量并提高軸的剛度，以合金鋼40Cr作為材料，在加工過程中進行退火處理，并采用階梯軸的結構設計方案，以保證方位軸具有良好的機械性能及力學性能。方位軸系中軸與軸承同樣采用過盈配合進行安裝，因此，晃動誤差同樣來源于軸承游隙，方位軸的跨距為420mm，軸承游隙0.08mm。根據公式（1）可以得到系統(tǒng)方位軸晃動誤差[σaz=1.37″<2″]，滿足系統(tǒng)指標要求。

系統(tǒng)采用絕對式光電編碼器作為角度測量裝置，絕對式編碼器具有絕對零位，測量精度高且抗干擾能力強，在復雜控制領域具有廣泛的應用[6]。本文采用21位光電編碼器，最高轉速為100r/min，測量精度5″，角度分辨率0.6″。

4 結構設計精度及環(huán)境適應性分析

4.1 結構設計精度分析

為驗證結構設計的合理性，采用有限元分析軟件ANSYS對系統(tǒng)主要組件進行有限元分析。在分析過程中，采用自由網格劃分方法，確定各組件材料屬性及單元類型，材料屬性如表2所示，并合理分配單元格大小，對組件中重要的局部位置進行網格細化，以提高分析精度。

4.1.1 俯仰軸靜力學分析

4.1.1.1 U型結構。將四通結構、俯仰軸、左右軸承和相應零部件共計520N作為有效載荷，分析U型結構在承載狀態(tài)下的變形，分析結果如圖6所示。從圖6可以看出：U型框架最大變形量位置出現在右側頂端，為1.06μm，U型框架長度為300mm，最大變形量導致的軸系晃動誤差為0.12″，小于0.5″的指標要求，因此U型框架滿足剛度設計要求。

4.1.1.2 四通結構及左右軸承。四通結構及左右軸的載荷主要來自于自身重力場，在分析過程中，添加-Y方向的重力載荷對組件進行分析，分析結果如圖7所示。從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，四通結構最大變形量出現在系統(tǒng)的[Y]軸方向，為0.451μm；左右軸的最大變形量出現在過盈配合的軸頭部分，為0.196μm，由俯仰軸所引起的軸系晃動誤差為0.002″，小于系統(tǒng)要求的0.5″誤差，設計結果滿足系統(tǒng)剛度要求。

4.1.2 方位軸靜力學分析。方位軸作為系統(tǒng)底部支撐組件，其有效載荷主要來源于俯仰軸組件，其總重量為1 000N，有限元分析結果如圖8所示。從圖8可以看出，方位軸最大變形量出現在軸系頂端，為2.14μm，方位軸的跨度為420mm，因此，方位軸變形所引起的軸系晃動為0.018″，小于0.5″的系統(tǒng)指標要求。

4.1.3 系統(tǒng)模態(tài)分析。模態(tài)分析是動力學分析過程中的必要環(huán)節(jié)。為了考核系統(tǒng)承受力學沖擊的情況，確定設計結構的固有頻率，避免共振，對系統(tǒng)整體結構的一至六階模態(tài)進行分析[6]。系統(tǒng)整體模型如圖9（a）所示，分析結果如表3所示。

從表3可以看出，系統(tǒng)結構在各階模態(tài)上基本穩(wěn)定且振幅較小，最大振幅為四階模態(tài)，如圖9（b）所示，位移量為10.95mm。諧振所引起的變形主要發(fā)生在光電平臺邊緣，轉臺結構整體基本穩(wěn)定且振幅較小。因此，轉臺整體結構動態(tài)特性良好，滿足系統(tǒng)使用要求。

4.2 溫度適應性分析

多譜段跟蹤/引導系統(tǒng)主要工作在戶外環(huán)境中，工作環(huán)境溫度變化較大（考慮到我國北方地區(qū)季節(jié)變化所導致的極限溫度差異在-40℃～﹢40℃），這種冷熱變化會引起一定的系統(tǒng)變形，導致系統(tǒng)跟蹤和測量精度下降。因此，有必要對精密伺服轉臺的熱特性進行分析和校核，對結構設計結果進行驗證，盡量減小溫度載荷對跟蹤平臺穩(wěn)定性的影響。

在有限元分析軟件中建立轉臺模型，在俯仰軸和方位軸軸向端面0°～360°范圍內均勻取4個節(jié)點，對高溫工況（+40℃）和低溫工況（-40℃）下軸系的位移量進行分析，分析結果如表4所示。

從表4的分析結果可以看出：①精密伺服轉臺在結構設計上采用近似對稱結構，高、低溫變化所引起的位移量雖然較大，但位移量在各方向上基本對稱，對軸系晃動誤差的影響較小；②俯仰軸軸向，即[Y]軸方向四個節(jié)點位移量基本一致，不會對軸系晃動誤差產生影響；③方位軸軸向，即[Z]軸方向四個節(jié)點高、低溫最大位移偏差為0.000 8mm，方位軸直徑為90mm，位移所引起的軸系晃動為1.8″，滿足指標要求。

5 試驗驗證

精密伺服轉臺作為多譜段跟蹤/引導系統(tǒng)的重要組件，其精度及工作穩(wěn)定性是系統(tǒng)的重要性能指標之一。因此，在系統(tǒng)光學設計、結構設計、靜力學分析、模態(tài)分析及環(huán)境適應性分析后，對相應組件進行加工與裝配。在裝配完成后，對轉臺中重要組件進行檢測和誤差分析，以保證設計結果滿足系統(tǒng)指標要求。

5.1 俯仰軸系檢測

采用自準直方法對系統(tǒng)的俯仰軸系晃動誤差進行測量，采用精度為0.2″的光電自準直儀，平面反射鏡安裝左半軸端部，通過旋轉四通結構使俯仰軸運動，對0°～360°順時針及逆時針進行兩次測量，測量間隔為30°，測量結果如圖10所示。通過數據處理（傅里葉級數展開）可以計算得到俯仰軸系的晃動誤差為2.5″<3″，證明水平軸在裝配后滿足系統(tǒng)指標要求。

5.2 方位軸系檢測

采用精度為0.1″的電子水平儀對系統(tǒng)的方位軸系晃動誤差進行測量，水平儀軸線與俯仰軸平行以測試方位軸沿俯仰軸方向的晃動誤差分量[V1]，水平儀軸線與俯仰軸垂直以測試方位軸沿垂直俯仰軸的晃動誤差分量[V2]。在測試前，先通過多次正、反轉方位軸，以消除軸系的雙周誤差。同時，將方位軸0°～360°平均分為12等份，每點取4次測量的平均值，可以分別得到[V1]和[V2]的平均測量值，如圖11所示。通過數據處理（傅里葉級數展開）可以計算得到俯仰軸系的晃動誤差為1.8″<3″，證明水平軸在裝配后滿足系統(tǒng)指標要求。

6 結論

多譜段跟蹤/引導系統(tǒng)采用三波段共孔徑光學系統(tǒng)，內部采用棱鏡分光，并通過平面反射鏡將激光發(fā)射路耦合到成像光路中，共孔徑結構簡單，大幅降低了系統(tǒng)的體積，滿足系統(tǒng)對視場、焦距及成像質量的要求。通過CodeV、UG等設計軟件對系統(tǒng)進行設計及參數優(yōu)化。在此基礎上，對系統(tǒng)的重要運動組件，即精密伺服轉臺進行詳細的有限元分析，針對系統(tǒng)長期在戶外服役的特點，詳細分析了系統(tǒng)的環(huán)境適應，對結構設計結果進行初步驗證。在轉臺加工、裝調后，通過試驗證明，轉臺俯仰軸系和方位軸系的晃動誤差均小于3″，各組件剛度及強度均滿足系統(tǒng)要求，轉臺具有良好的跟蹤穩(wěn)定性及跟蹤精度，滿足系統(tǒng)要求。

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