某型飛機光電探測設(shè)備紅外大視場圖像抖動故障分析

魏詩朦 郭毓文

摘要：針對某型飛機飛行過程中光電探測設(shè)備紅外大視場圖像畫面抖動故障，基于故障樹進(jìn)行研究分析，查找故障原因，制定改進(jìn)方法，對提高光電探測設(shè)備工作的可靠性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：光電探測設(shè)備；紅外大視場；故障分析

Keywords：optic-electronic detecting equipment；infrared large field view；fault analysis

1 故障描述

光電探測設(shè)備主要用于對地面或?qū)Ｃ婺繕?biāo)進(jìn)行搜索、識別、跟蹤和測距，并輸出相關(guān)目標(biāo)的參數(shù)及視頻信息，在夜間和復(fù)雜氣象條件下可用于輔助導(dǎo)航；可向顯控系統(tǒng)送出紅外/電視圖像，供其觀察和瞄準(zhǔn)，并提供光軸角度、角速度、目標(biāo)距離等數(shù)值，方便火控系統(tǒng)進(jìn)行解算。

一架某型飛機在飛行過程中光電探測設(shè)備紅外大視場畫面出現(xiàn)水平晃動現(xiàn)象，飛行結(jié)束后返回地面進(jìn)行記錄視頻回放時，發(fā)現(xiàn)光電探測設(shè)備在飛機平飛過程中紅外大視場水平方向晃動5～6個像素，轉(zhuǎn)彎飛行時晃動不明顯。

2 故障現(xiàn)象分析

光電探測設(shè)備由電子組件和轉(zhuǎn)塔組成，轉(zhuǎn)塔從結(jié)構(gòu)上分為外方位組件、外俯仰組件、陀螺穩(wěn)定平臺組件等部分，紅外、電視和激光3個傳感器裝在陀螺穩(wěn)定平臺上，轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)組成模塊如圖1所示。因光電探測設(shè)備的轉(zhuǎn)塔安裝位置處于飛機頭部下方，隨著飛機的抖動，轉(zhuǎn)塔將不可避免地產(chǎn)生隨動。必須通過穩(wěn)定控制系統(tǒng)對光電轉(zhuǎn)塔的平臺進(jìn)行增穩(wěn)，才能保障光電圖像滿足偵察和作戰(zhàn)任務(wù)的需要。

為了準(zhǔn)確定位該型光電探測設(shè)備紅外大視場抖動問題的故障點，建立以“紅外大視場圖像抖動”為頂事件的故障樹，根據(jù)故障樹逐級進(jìn)行排查，可以高效準(zhǔn)確地對故障進(jìn)行定位和處理。

飛機平飛過程中，紅外大視場圖像抖動由多種因素引起，如掛裝支架抖動、外框架抖動、平臺抖動、組件抖動等，根據(jù)光電轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)及紅外組件結(jié)構(gòu)，建立如圖2所示的故障樹。

2.1 光電轉(zhuǎn)塔機上安裝支架抖動

光電轉(zhuǎn)塔通過機上安裝支架吊掛在飛機機頭正下方。安裝支架抖動會引起光電轉(zhuǎn)塔紅外大視場抖動。根據(jù)前期飛行視頻及安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計未作改動分析，目前機上安裝支架的振動不會引起光電轉(zhuǎn)塔紅外大視場抖動。

2.2 光電轉(zhuǎn)塔抖動

1）控制問題

a.陀螺問題

作為穩(wěn)定控制系統(tǒng)的核心反饋元件，陀螺是影響穩(wěn)定性能的核心因素之一。如果陀螺故障，將導(dǎo)致系統(tǒng)抖動及紅外和電視各視場的圖像抖動。經(jīng)檢測及飛行視頻分析，陀螺控制和輸出信號正常，飛行視頻正常，排除陀螺故障的可能。

b.功放板問題

功放板主要是對控制器輸出的PWM控制信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動電機帶動框架運動。功放板有故障或PWM信號輸出與輸入不匹配時將導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法正?？刂齐姍C運動。光電探測設(shè)備系統(tǒng)上電時會進(jìn)行上電自檢，通過測試程序?qū)Ψ虐宓幕芈愤M(jìn)行檢測，如果功放板存在故障，隨動控制程序?qū)⑼Ｖ惯\行，光電探測設(shè)備無法完成自檢，結(jié)果自檢完成，排除功放板故障的可能。

c.電機問題

電機主要由定子、轉(zhuǎn)子和電刷組成，任何部件出現(xiàn)破損都會影響電機性能，進(jìn)而導(dǎo)致控制回路不穩(wěn)定或出現(xiàn)失控、無動作等現(xiàn)象。經(jīng)檢查，電機各部件完好，排除電機故障的可能。

2）結(jié)構(gòu)問題

a.結(jié)構(gòu)松動

光電轉(zhuǎn)塔裝配時，結(jié)構(gòu)模塊松動將導(dǎo)致框架和穩(wěn)定平臺抖動。經(jīng)檢查，不存在結(jié)構(gòu)松動問題。

b.干擾力矩增大

干擾力矩主要包含不平衡力矩、線纜牽拉力矩等，干擾力矩增大將導(dǎo)致外框、穩(wěn)定平臺抖動。對光電轉(zhuǎn)塔進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)松動和線纜之間牽拉導(dǎo)致牽拉力矩增大現(xiàn)象。分析飛行回放視頻，未發(fā)現(xiàn)電視、紅外等其他視場抖動，排除干擾力矩異常問題。

c.減振器問題

減振器安裝松動和損壞將導(dǎo)致轉(zhuǎn)塔對載機擾動的抗干擾能力下降。檢查光電轉(zhuǎn)塔上下半軸4個減振器，未發(fā)現(xiàn)安裝松動和膠皮開裂等損壞問題，排除減振器故障的可能。

2.3 紅外組件抖動

1）大物鏡、后鏡組、探測器部件抖動

紅外組件大視場、中視場、小視場共用大物鏡、后鏡組和探測器，故障現(xiàn)象為紅外大視場左右抖動。切換中、小視場未出現(xiàn)左右抖動現(xiàn)象，因此排除大物鏡抖動、后鏡組抖動、探測器抖動問題。

2）大視場透鏡部件抖動

a.鏡框磁鐵吸附力不足

紅外大視場鏡框吸附力主要用于對鏡框垂直方向的吸附，對紅外大視場畫面上下抖動影響較大。分析飛行回放視頻發(fā)現(xiàn)紅外大視場抖動主要是水平方向而非垂直方向。增大磁鐵對鏡框吸附力后進(jìn)行振動試驗，紅外大視場水平晃動量有所減小，但依然存在水平晃動。

b.大視場鏡框軸松動

紅外大視場鏡框軸系包含上軸系和下軸系，大視場鏡筒通過上軸系部件固定在上蓋板上，上軸系包含一對軸承，局部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

對上/下軸系軸承在徑向、軸向的間隙進(jìn)行測量，采取措施消除上軸系的軸向和徑向間隙以及下軸系的徑向間隙，上下軸系數(shù)據(jù)表如表1、表2所示。對消除間隙前后的部件同時進(jìn)行隨機振動，掃頻振動發(fā)現(xiàn)上、下軸系諧振頻率均在150Hz左右，處理措施對大視場鏡框軸影響不大。

c.紅外大視場鏡框結(jié)構(gòu)剛度不足

對不同批次的4臺紅外熱像儀進(jìn)行掃頻振動試驗及系統(tǒng)安裝面振動曲線測試，試驗結(jié)果如表3所示。

由上述結(jié)果可知，紅外諧振頻率帶在150～160Hz左右。通過紅外組件振動仿真計算，振動輸入頻率譜在10～2000Hz之間，對有限元模型進(jìn)行求解，其一階模態(tài)為163Hz（見圖4），與實測數(shù)值接近。

光電轉(zhuǎn)塔隨機振動譜線如圖5所示，其RMS值為5.83g。分析隨機振動譜線，在15～179Hz頻率范圍內(nèi)，量值是0.04g2/Hz，該區(qū)域范圍內(nèi)RMS值是13.3g，說明振動能量主要集中在低頻段。

用模態(tài)分析儀監(jiān)測振動條件下光電轉(zhuǎn)塔穩(wěn)定平臺和紅外組件安裝點處的情況，觀察監(jiān)測點航向、展向及垂向的功率譜密度曲線和頻響函數(shù)曲線，并進(jìn)行測試數(shù)據(jù)對比，從紅外安裝點展向響應(yīng)的頻響函數(shù)可以看出，在160Hz頻點左右展向振動幅值有所放大，如圖6所示。

3 結(jié)論

經(jīng)過分析，光電探測設(shè)備紅外大視場畫面抖動原因是：紅外大視場框架結(jié)構(gòu)強度偏低，造成一階諧振頻率與光電轉(zhuǎn)塔穩(wěn)定平臺的展向諧振頻率重合，二者產(chǎn)生共振。可通過提高紅外大視場框架一階諧振頻率解決紅外大視場的抖動現(xiàn)象。

作者簡介

魏詩朦，助理工程師，主要從事綜合航電火控系統(tǒng)研究工作。

郭毓文，工程師，主要從事軍民機六性評估研究工作。