基于修理狀態(tài)下光電瞄準(zhǔn)吊艙三光軸=平行度測(cè)試技術(shù)的研究

吳國(guó)平

摘要：針對(duì)晝夜型瞄準(zhǔn)吊艙修理需求，以某型飛機(jī)光電吊艙為研究對(duì)象，進(jìn)行紅外、電視、激光三光軸測(cè)試技術(shù)研究，論述了光軸調(diào)校原理，分別測(cè)試了不同波段光軸平行度，解決光軸不平行的調(diào)校問(wèn)題，通過(guò)三光軸平行度測(cè)試技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了光軸調(diào)校，提高了光電瞄準(zhǔn)吊艙光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：光電瞄準(zhǔn)吊艙;三光軸;調(diào)校;光學(xué)系統(tǒng)

0引言

光電瞄準(zhǔn)吊艙是集信息獲取、顯示、傳輸、處理、激光、紅外、計(jì)算機(jī)處理等多種學(xué)科為一體的綜合性技術(shù)，與其他機(jī)載設(shè)備相比，光電瞄準(zhǔn)吊艙自成體系，有獨(dú)立的環(huán)控系統(tǒng)、氣動(dòng)布局;同時(shí)，光電瞄準(zhǔn)吊艙集成了紅外成像、電視追蹤、激光測(cè)距/多光譜測(cè)試和光軸調(diào)校等功能，由精密的伺服系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，其故障模式、損耗模式與其他機(jī)載設(shè)備有很大不同，決定了光電吊艙修理技術(shù)的復(fù)雜性。隨著軍事科學(xué)的不斷發(fā)展，光電技術(shù)能夠縮短武器裝備的反應(yīng)時(shí)間，提高射擊精度，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有武器裝備的作戰(zhàn)效能，要求光電瞄準(zhǔn)吊艙的光軸精度更加準(zhǔn)確，其中，三光軸平行度測(cè)試和調(diào)校技術(shù)是光電瞄準(zhǔn)吊艙修理過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

本文系統(tǒng)闡述了晝夜型瞄準(zhǔn)吊艙的光學(xué)系統(tǒng)原理，并結(jié)合某型飛機(jī)光電吊艙光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，測(cè)試了三光軸平行度，分別闡述了激光、紅外、電視三光軸調(diào)校具體步驟方法，并系統(tǒng)地分析了角度指標(biāo)，最終完成了三光軸校準(zhǔn)。

1光學(xué)系統(tǒng)原理分析

晝夜型瞄準(zhǔn)吊艙是集紅外、電視、激光于一體的機(jī)載光電探測(cè)系統(tǒng)，其中光學(xué)分系統(tǒng)由雙視場(chǎng)變倍望遠(yuǎn)系統(tǒng)、紅外消旋系統(tǒng)、折轉(zhuǎn)鏡組、光學(xué)匯聚鏡組等組成，其光學(xué)系統(tǒng)組成框圖見(jiàn)圖1。

光學(xué)分系統(tǒng)具有對(duì)目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射和太陽(yáng)照射地面景物的漫反射可見(jiàn)光進(jìn)行匯聚、放大、成像的作用，以及對(duì)激光發(fā)射光束進(jìn)行準(zhǔn)直、對(duì)經(jīng)目標(biāo)漫反射的激光回波光束進(jìn)行接收聚焦的作用，是實(shí)現(xiàn)吊艙系統(tǒng)功能和性能的關(guān)鍵分系統(tǒng)。

2吊艙光路布局分析

光電瞄準(zhǔn)吊艙的光學(xué)系統(tǒng)主要由紅外、電視、激光發(fā)射和激光接收四套光學(xué)系統(tǒng)組成，光路總體布局采用的是紅外、激光發(fā)射、電視激光接收三條光路分開(kāi)的形式，其中激光接收與電視采用共光路再通過(guò)棱鏡分光的設(shè)計(jì)，達(dá)到激光與電視的分光作用。同時(shí)，與光路布局相一致，頭罩上設(shè)計(jì)有兩個(gè)光窗，激光和電視合用一個(gè)光窗，紅外單獨(dú)一個(gè)光窗，光路布局如圖2所示。

從吊艙光路布局可以看出，紅外和激光發(fā)射光路通過(guò)折轉(zhuǎn)反射鏡和平臺(tái)內(nèi)的隨動(dòng)反射鏡進(jìn)行光路折轉(zhuǎn)，在使用和修理過(guò)程中，由于內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕微變化，必然導(dǎo)致內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)的光軸發(fā)生變化，難以達(dá)到光學(xué)精度，因此吊艙維修時(shí)需要一臺(tái)地面綜合保障設(shè)備三光軸檢測(cè)儀和一臺(tái)綜合控制臺(tái)，用于對(duì)瞄準(zhǔn)吊艙紅外、電視、激光光軸之間偏差的檢測(cè)和校準(zhǔn)。

3光軸三軸平行度測(cè)試技術(shù)

三光軸檢測(cè)儀由可變溫差目標(biāo)發(fā)生器（由高精度面源黑體和靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成）、光學(xué)準(zhǔn)直儀、光學(xué)平臺(tái)、光路校準(zhǔn)儀、方位調(diào)整機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)整機(jī)構(gòu)、地腳等組成。三光軸檢測(cè)儀能產(chǎn)生大口徑的紅外和可見(jiàn)光全波段的平行光，同時(shí)檢測(cè)儀具有可變光闌，能調(diào)節(jié)目標(biāo)源的大小和強(qiáng)度。三光軸檢測(cè)儀光學(xué)平臺(tái)的平面布置圖如圖3所示，主要部件功能如下：

1）光學(xué)平臺(tái)由導(dǎo)軌、靶標(biāo)系統(tǒng)安裝板、紅外成像系統(tǒng)安裝支座、平行光管龍門(mén)架和平行光管等組成。用于測(cè)試系統(tǒng)的安裝調(diào)試，尋找準(zhǔn)直儀的焦點(diǎn)，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)系統(tǒng)的切換，并確定靶標(biāo)轉(zhuǎn)輪的擺放位置，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)的模擬。

2）可變溫差目標(biāo)發(fā)生器由一系列的靶板、可轉(zhuǎn)動(dòng)靶盤(pán)、面源黑體、電子控制箱（可變溫差控制器和靶標(biāo)轉(zhuǎn)輪控制器）組成，是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分。其功能是可以對(duì)目標(biāo)背景溫差進(jìn)行精確的控制，該溫差輻射經(jīng)準(zhǔn)直儀投射于紅外系統(tǒng)，在紅外系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)具有熱對(duì)比度的靶標(biāo)圖案，該圖案的熱對(duì)比度可以通過(guò)改變溫差來(lái)調(diào)整。靶板轉(zhuǎn)盤(pán)上安裝5種標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)，如圖4所示。其中，大方孔靶標(biāo)用于噪聲等效溫差NETD測(cè)量，四桿靶標(biāo)用于最小可分辨溫差MRTD測(cè)量，圓孔靶標(biāo)用于最小可探測(cè)溫差MDTD測(cè)量，狹縫靶標(biāo)用于調(diào)制傳遞函數(shù)MTF測(cè)量，半月形靶標(biāo)用于信號(hào)傳遞函數(shù)SiTF測(cè)量。靶盤(pán)上埋有一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)測(cè)試背景溫度。不同空間頻率的靶標(biāo)分布在數(shù)個(gè)靶板上，以便靶盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所需的靶標(biāo)可位于視場(chǎng)中央。測(cè)試時(shí)可手動(dòng)，也可計(jì)算機(jī)控制操作，使所需形狀和空間頻率的靶標(biāo)位于與紅外成像系統(tǒng)光軸同軸的準(zhǔn)直儀光軸上。面源黑體通過(guò)內(nèi)置溫差傳感器自動(dòng)控制背景與黑體的溫差值，控制器經(jīng)過(guò)計(jì)算后自動(dòng)調(diào)節(jié)熱源溫度，使熱源溫度達(dá)到設(shè)定值。同時(shí)，熱源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過(guò)反射鏡反射后，由輻射孔射出，經(jīng)過(guò)靶板形成熱圖，進(jìn)入平行光管供測(cè)試使用。

3）光學(xué)準(zhǔn)直儀是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的主要部件之一，為各項(xiàng)測(cè)試提供一個(gè)目標(biāo)近似無(wú)窮遠(yuǎn)的平行光束。準(zhǔn)直儀由兩個(gè)反射鏡構(gòu)成，主鏡為離軸拋物面反射鏡，次鏡為平面反射鏡。離軸拋物面反射鏡的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有色像差和球差，目標(biāo)可以放在系統(tǒng)的焦點(diǎn)上，產(chǎn)生的光束是清晰無(wú)遮擋的準(zhǔn)直光束;次鏡主要用途是折轉(zhuǎn)光路減小準(zhǔn)直系統(tǒng)的軸向尺寸。兩塊反射鏡的反射面均鍍有高效反射膜，以提高反射效率。整個(gè)系統(tǒng)的反射率優(yōu)于95%，其工作原理如圖5所示。

4）地腳可調(diào)節(jié)，結(jié)合方位調(diào)整機(jī)構(gòu)和俯仰調(diào)整機(jī)構(gòu)用來(lái)調(diào)整三光軸檢測(cè)儀的高低以及方位、俯仰變化，使檢測(cè)儀出射的平行光與被測(cè)系統(tǒng)的光軸平行，完成對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)方位調(diào)整機(jī)構(gòu)兩側(cè)面的小手輪，可以進(jìn)行檢測(cè)儀的方位調(diào)整，通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)俯仰調(diào)整機(jī)構(gòu)大手輪，可以進(jìn)行檢測(cè)儀的俯仰調(diào)整。

4三光軸校準(zhǔn)

利用系統(tǒng)綜合控制臺(tái)給光電吊艙上電，控制光電吊艙進(jìn)入伺服狀態(tài)，然后將吊艙三光軸檢測(cè)儀放在光電吊艙頭部光窗前，調(diào)節(jié)檢測(cè)儀支腳，目視觀察檢測(cè)儀紅外光窗、激光電視光窗分別與被檢吊艙紅外光窗、激光電視光窗基本對(duì)準(zhǔn)，完成三光軸檢測(cè)儀與光電吊艙光窗的對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

在吊艙處于正常工作模式機(jī)械鎖定狀態(tài)下進(jìn)入系統(tǒng)維護(hù)模式，此時(shí)通過(guò)系統(tǒng)綜合控制臺(tái)和三光軸檢測(cè)儀可分別對(duì)吊艙紅外、電視的方位和俯仰進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用三光軸檢測(cè)儀將綜合控制臺(tái)視頻采集與顯示中的紅外十字中心調(diào)至激光光軸的圓心，并利用調(diào)整光楔鑰匙調(diào)整激光輻射器中的光楔，使激光光斑落在移動(dòng)后的紅外十字中心，完成紅外與激光光軸的校準(zhǔn);同樣利用三光軸檢測(cè)儀分別對(duì)紅外和電視方位及俯仰進(jìn)行調(diào)節(jié)，使綜合控制臺(tái)視頻采集與顯示中的電視十字分劃落在移動(dòng)后的紅外十字中心，完成紅外與電視光軸的校準(zhǔn)。

5結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了光電吊艙內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述了三光軸平行性調(diào)試原理。以某型瞄準(zhǔn)吊艙為例，介紹了光軸平行性檢查的方法、步驟及注意事項(xiàng)，為吊艙光軸平行度測(cè)試及調(diào)校提供了可靠依據(jù)，可實(shí)現(xiàn)光電吊艙光學(xué)系統(tǒng)深度修理，為機(jī)載通用吊艙內(nèi)場(chǎng)維修時(shí)技術(shù)指標(biāo)符合性檢查提供了保障和光電吊艙的修理提供了技術(shù)儲(chǔ)備。