高穩(wěn)定性三視場電視探測系統(tǒng)

彭建偉，馬迎軍，陳衛(wèi)寧，史 魁，張高鵬

（中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119）

1 引 言

光電測量系統(tǒng)主要用于對(duì)快速目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤與測量，電視探測系統(tǒng)是其重要組成部分。隨著軍事任務(wù)需求的多樣化，電視探測系統(tǒng)要具有多視場切換功能，可以在短焦大視場進(jìn)行大范圍搜索，而在長焦小視場則可探測識(shí)別更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)跟蹤及捕獲［1-3］。

多視場探測系統(tǒng)通過控制光學(xué)系統(tǒng)相應(yīng)透鏡組的移動(dòng)引起焦距變化，從而實(shí)現(xiàn)視場的切換。變倍系統(tǒng)中的視場切換機(jī)構(gòu)大致可分為三種形式：軸向平移變倍機(jī)構(gòu)、徑向切入切出變倍機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)式切換變倍機(jī)構(gòu)［4-7］。軸向平移變倍機(jī)構(gòu)的切換速度慢，切換過程中系統(tǒng)離焦，模糊畫面時(shí)間較長，影響使用。徑向切入切出變倍機(jī)構(gòu)采用鐘擺形式或者平移機(jī)構(gòu)控制透鏡組打入打出光學(xué)系統(tǒng)，所占用的系統(tǒng)徑向尺寸較大，不利于系統(tǒng)的輕小型化，且裝調(diào)難度較大。而旋轉(zhuǎn)式切換變倍系統(tǒng)將多個(gè)透鏡組安裝于一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡筒上，通過一個(gè)軸系驅(qū)動(dòng)則可以達(dá)到較快的切換速度。旋轉(zhuǎn)式切換變倍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、空間利用率高，而且現(xiàn)有的機(jī)械加工精度也可以滿足光學(xué)系統(tǒng)的裝配要求。但是，旋轉(zhuǎn)式切換變倍機(jī)構(gòu)的定位精度和重復(fù)定位精度是設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。定位精度決定變倍機(jī)構(gòu)在進(jìn)行視場切換過程中光學(xué)系統(tǒng)的光軸一致性；而重復(fù)定位精度則決定了變倍機(jī)構(gòu)在多次切換過程中以及高低溫和劇烈振動(dòng)條件下系統(tǒng)光軸的穩(wěn)定性。

視場切換機(jī)構(gòu)通常用于紅外光學(xué)設(shè)備中，可見光和近紅外電視設(shè)備中并不多見。因?yàn)榭梢姽夂徒t外波段的光學(xué)設(shè)備對(duì)像質(zhì)要求更高，對(duì)光軸的一致性和穩(wěn)定性等指標(biāo)更為敏感，對(duì)視場切換機(jī)構(gòu)的定位精度和重復(fù)定位精度要求更高［8-10］。視場切換運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的引入往往會(huì)帶來更多不穩(wěn)定因素。安裝于艦船上的光學(xué)設(shè)備，由于工作環(huán)境較為惡劣，不但要承受100 ℃左右的高低溫差、沖擊、振動(dòng)等，還有高量級(jí)、持續(xù)性的顛振。艦船的惡劣環(huán)境對(duì)視場切換機(jī)構(gòu)的可靠性及穩(wěn)定性是一個(gè)考驗(yàn)。本文對(duì)一種工作于可見光和近紅外波段的三視場電視探測系統(tǒng)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)式切換變倍機(jī)構(gòu)，通過蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)，通過磁鐵以及柱塞等對(duì)各視場位置限位，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)視場的連續(xù)快速切換，保證了各視場的光軸一致性和穩(wěn)定性，同時(shí)具有較高的可靠性。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)實(shí)際的使用需求，三視場電視探測系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）工作波段：0.4～1.0 μm；

（2）分辨率：1 280×1 024；

（3）水平視場：5°/1.3°/0.7°；

（4）幀頻：100 Hz；

（5）光軸穩(wěn)定性：典型視場方位、高低均≤0.05 mrad（全溫度范圍）；

（6）光軸一致性：大視場與典型中視場間光軸的平行性誤差（方位、高低）≤0.1 mrad；小視場與典型中視場間光軸的平行性誤差（方位、高低）≤0.05 mrad。

系統(tǒng)對(duì)光軸穩(wěn)定性及一致性提出了較高要求。光軸穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)在惡劣工作環(huán)境，包括高低溫、振動(dòng)、沖擊等前后的光軸變化。結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)解算，指標(biāo)要求典型的光軸穩(wěn)定性不大于10″，即不超過2.8 個(gè)像元尺寸。大小視場與典型中視場的平行性誤差分別不超過1.5 和5.2個(gè)像元尺寸［11-12］。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)方案

選用某國產(chǎn)5.5 μm 像元尺寸探測器芯片，設(shè)計(jì)完成的光學(xué)系統(tǒng)如圖1 所示。光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。

表1 三視場電視探測光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameter of optical system for TV detection system with three fields of view

圖1 三視場電視探測光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Optical system of TV detection system with three fields of view

該系統(tǒng)將1.3°中視場作為典型視場，由前后固定透鏡組構(gòu)成，其中最后一片透鏡作為調(diào)焦組前后移動(dòng)。大小視場與中視場共用前后固定透鏡組，并通過旋轉(zhuǎn)切入、切出相應(yīng)的光學(xué)部件實(shí)現(xiàn)3 個(gè)視場的切換。由1.3°中視場切換至0.7°小視場，需將小視場光學(xué)組件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)75°至光路中；由1.3°中視場切換至5°大視場，需將大視場光學(xué)組件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°至光路中。鏡頭裝配過程以中視場為基準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)大視場切換組與小視場切換組的偏心和傾斜實(shí)現(xiàn)三視場光軸的調(diào)整。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，著重對(duì)切換鏡組光軸一致性的裝調(diào)、切換機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和定位精度等進(jìn)行了研究。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由主框架、前固定鏡組、旋轉(zhuǎn)切換鏡組及驅(qū)動(dòng)、后鏡組、調(diào)焦鏡組、濾光切換組件及探測器組件構(gòu)成。其爆炸示意圖如圖2 所示。主框架是系統(tǒng)的支撐部件，設(shè)計(jì)為具有加強(qiáng)筋的箱體結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度。旋轉(zhuǎn)切換鏡組位于鏡頭中部，通過精密軸系架設(shè)于主框架上。切換鏡筒上共安裝有4 組透鏡及兩個(gè)通光孔，其兩兩同軸分布組成3 個(gè)視場光路的一部分。設(shè)置兩套磁鐵限位組件，分別對(duì)小視場和大視場位置進(jìn)行限位，通過修切墊片保證各視場光軸的一致性。柱塞球頭與旋轉(zhuǎn)鏡筒配合，對(duì)中視場位置進(jìn)行限位。磁鐵限位組件和球頭柱塞可有效保證各視場的定位精度和重復(fù)定位精度。切換鏡組采用蝸輪蝸桿的驅(qū)動(dòng)形式，既可以實(shí)現(xiàn)大的減速比，又具有自鎖作用，可以保證其旋轉(zhuǎn)到位后的光軸穩(wěn)定性。調(diào)焦鏡組采用高精度凸輪驅(qū)動(dòng)形式以滿足其位移的高精度要求。鏡頭尾部安裝有濾光片切換機(jī)構(gòu)，通過齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外波段的切換。鏡頭后端與成像組件相連，電控盒位于鏡頭的側(cè)面。

圖2 三視場電視探測系統(tǒng)爆炸圖Fig.2 Explosive view of TV detection system with three fields of view

4 系統(tǒng)高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)保證

4.1 光軸一致性裝調(diào)

為保證光學(xué)鏡頭的成像質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)鏡組光軸與固定組光軸的偏心和傾斜須滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，為保證三個(gè)視場的光軸一致性要求，須將大視場、小視場旋轉(zhuǎn)鏡組光軸與前后固定組穿心至同軸。光軸調(diào)整通過經(jīng)緯儀配合分劃板實(shí)現(xiàn)。其原理如圖3 所示。將基準(zhǔn)分劃板采用定心工藝安裝于前固定鏡筒內(nèi)，用于標(biāo)定光學(xué)系統(tǒng)的基準(zhǔn)光軸。在大小視場旋轉(zhuǎn)鏡筒內(nèi)均設(shè)置分劃板，分劃板位于基準(zhǔn)分劃板后端。通過經(jīng)緯儀觀測前后分劃板中心十字線，調(diào)整磁鐵限位組件的位置，使旋轉(zhuǎn)鏡組分劃板的中心十字線與前鏡組分劃板重合，可認(rèn)為三個(gè)視場光軸重合。圖4 為分劃板工裝及穿心現(xiàn)場。

圖3 光軸一致性裝調(diào)原理Fig.3 Schematic diagram of optical axis consistency adjustment

圖4 分劃板與光軸一致性裝調(diào)現(xiàn)場Fig.4 Reticle and optical axis consistency adjustment site

4.2 精密旋轉(zhuǎn)軸系

為實(shí)現(xiàn)光機(jī)結(jié)構(gòu)的高精度與高穩(wěn)定性，軸系經(jīng)過專門設(shè)計(jì)。如圖5 所示，軸系一側(cè)采用高精度P4 級(jí)角接觸球軸承配對(duì)使用，同時(shí)采用背靠背的安裝方式，通過內(nèi)環(huán)隔離，外環(huán)壓緊的方式進(jìn)行預(yù)緊，軸系的徑向跳動(dòng)在0.005 mm 以內(nèi)。精密軸系的跨距以及溫度范圍的跨度較大，因此另一側(cè)軸系采用深溝球軸承游動(dòng)的方式來提高其環(huán)境適應(yīng)性。高精度的軸系使得旋轉(zhuǎn)鏡組具有很高的定位精度和重復(fù)定位精度，從而保證整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)多次重復(fù)切換過程中旋轉(zhuǎn)鏡組的軸線位置始終保持不變。

圖5 精密軸系Fig.5 Precision bearing

4.3 限位組件選型

磁鐵限位組件在系統(tǒng)到達(dá)大、小視場位置時(shí)保持吸附狀態(tài)。中視場時(shí)旋轉(zhuǎn)鏡組中無透鏡位于光路中，通過柱塞限位保證其穩(wěn)定性。通過磁鐵限位組件和球頭柱塞對(duì)大、中、小3 個(gè)視場位置進(jìn)行限位，不但可以保證視場到位后的定位精度和重復(fù)定位精度，還能有效防止旋轉(zhuǎn)切換機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)或者掙脫，提高系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為了滿足系統(tǒng)沖擊振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)要求，選用直徑為10 mm，厚度為6 mm 的強(qiáng)力釹磁鐵，其接觸面產(chǎn)生的磁場吸力為19.6 N，同時(shí)配合一個(gè)同等吸力的磁鋼使用。球頭柱塞通過外螺紋旋擰至一定深度與旋轉(zhuǎn)鏡筒球狀凹槽配合。球頭直徑為5 mm，球頭彈力負(fù)載根據(jù)擠壓深度變化，由13.5 N至44.4 N。實(shí)際裝配過程中，柱塞旋擰深度較淺，其負(fù)載約為15 N。

4.4 旋轉(zhuǎn)切換驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)切換鏡組采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)旋轉(zhuǎn)切換機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，以保證旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有足夠冗余量和使用壽命。通過合理設(shè)計(jì)減重槽和設(shè)置配重塊，保證旋轉(zhuǎn)切換鏡組質(zhì)心盡可能靠近旋轉(zhuǎn)軸。優(yōu)化完成后的旋轉(zhuǎn)切換鏡組如圖6 所示，其總質(zhì)量為0.96 kg，其質(zhì)心位置為（-0.37，-0.51，-2.6）mm，以圖示坐標(biāo)原點(diǎn)及坐標(biāo)系計(jì)算。Z軸作為旋轉(zhuǎn)軸，X，Y方向質(zhì)心位置偏離旋轉(zhuǎn)軸均在1 mm 以內(nèi)，滿足配平需要。以Z軸作為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)切換鏡組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=2.7 g·m2。

圖6 旋轉(zhuǎn)切換鏡組Fig.6 Rotary switching group

蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不但具有較高的傳動(dòng)比，還具有反向自鎖特性，可防止切換機(jī)構(gòu)掙脫或者反轉(zhuǎn)，提高機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。蝸桿模數(shù)為0.5，頭數(shù)為1，蝸輪模數(shù)為0.5，齒數(shù)為50，蝸輪蝸桿減數(shù)比為1∶50。三視場切換動(dòng)作中，由中視場切換為小視場，旋轉(zhuǎn)鏡筒需轉(zhuǎn)動(dòng)75°，即蝸輪需轉(zhuǎn)動(dòng)5π/12，蝸桿需轉(zhuǎn)動(dòng)約20.8π；由中視場切換為大視場，旋轉(zhuǎn)鏡筒需轉(zhuǎn)動(dòng)45°，即蝸輪需轉(zhuǎn)動(dòng)π/4，蝸桿需轉(zhuǎn)動(dòng)約12.5π。以視場切換時(shí)間不大于1 s計(jì)算，電機(jī)組合輸出端的轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于630 r/min。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)切換機(jī)構(gòu)的工作原理，直流電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩包括旋轉(zhuǎn)鏡組啟動(dòng)自轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩Mrot和克服強(qiáng)力釹磁鐵吸引力矩所需的轉(zhuǎn)矩Mmag，即：

旋轉(zhuǎn)切換鏡組切換行程最大為75°，即5π/12，切換時(shí)間為t=1 s，電機(jī)的加速時(shí)間為t1=0.01 s，則啟動(dòng)加速度為：

其中：Fmag為釹磁鐵吸附力，F(xiàn)mag=19.6 N；L為釹磁鐵安裝位置距離旋轉(zhuǎn)軸的力臂長度，L=37.5 mm。則Mmag=735 mN·m。

考慮到蝸輪蝸桿減數(shù)比為1∶50，則要求直流電機(jī)與減速箱輸出轉(zhuǎn)距21.76 mN·m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，考慮到電機(jī)輸出力矩效率及低溫工況的力矩?fù)p耗，直流電機(jī)應(yīng)至少輸出2 倍力矩，約為44 mN·m。

5 系統(tǒng)測試結(jié)果

依據(jù)上述的設(shè)計(jì)與研究結(jié)果，完成整機(jī)加工生產(chǎn)裝配，如圖7 所示。裝調(diào)完成后的三視場電視探測系統(tǒng)視場切換平穩(wěn)流暢，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，三個(gè)視場的成像質(zhì)量優(yōu)良，實(shí)測小視場傳遞函數(shù)達(dá)到0.3，大視場傳遞函數(shù)達(dá)到0.5。對(duì)整機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)、沖擊和高低溫試驗(yàn)，在低溫-45 ℃的環(huán)境下，切換機(jī)構(gòu)仍正常工作，驗(yàn)證了各驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性，圖8 為系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場圖。采用經(jīng)緯儀對(duì)試驗(yàn)前后典型中視場光軸穩(wěn)定性和3 個(gè)視場光軸一致性進(jìn)行了測量，實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。結(jié)果表明，系統(tǒng)中視場光軸穩(wěn)定性不超過8″，3 個(gè)視場光軸一致性均在1 個(gè)像元尺寸內(nèi)，滿足指標(biāo)要求。

表2 光軸穩(wěn)定性及光軸一致性的測試結(jié)果Tab.2 Results of stability and consistency of axis

圖7 三視場電視探測系統(tǒng)Fig.7 Photo of TV detection system with three fields of view

圖8 振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場Fig. 8 Vibration test site

對(duì)系統(tǒng)的成像效果進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)室及室外場景測試。圖9 為三視場電視探測系統(tǒng)對(duì)1.6 m 平行光管鑒別率板成像圖片，圖10 是外場試驗(yàn)時(shí)拍攝的城市樓房和高塔圖片。從圖片質(zhì)量分析，系統(tǒng)對(duì)鑒別率板條紋分辨清晰，邊緣成像銳利，圖像對(duì)比度高，表明系統(tǒng)的成像質(zhì)量優(yōu)良。

圖9 實(shí)驗(yàn)室測試圖像Fig.9 Images in laboratory test

圖10 外場試驗(yàn)圖像Fig.10 Images in outfield test

6 結(jié) 論

本文通過分析電視探測系統(tǒng)的指標(biāo)，提出了采用旋轉(zhuǎn)式切換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三視場切換的設(shè)計(jì)思路。基于該思路選定了光學(xué)系統(tǒng)方案，建立了系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)型。研究了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施，包括光軸一致性的裝調(diào)工藝，精密旋轉(zhuǎn)軸系、強(qiáng)力釹磁鐵以及高彈力的柱塞限位機(jī)構(gòu)和具有自鎖特點(diǎn)的蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并給出了限位機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型計(jì)算過程和結(jié)果。經(jīng)過振動(dòng)、沖擊以及高低溫試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)表現(xiàn)出高穩(wěn)定性和可靠性。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)中視場光軸穩(wěn)定性不超過8″，三個(gè)視場光軸一致性均在1 個(gè)像元尺寸內(nèi)，滿足指標(biāo)要求。最終對(duì)成像效果進(jìn)行測試，系統(tǒng)各個(gè)視場的成像質(zhì)量優(yōu)良，分辨率高、探測距離遠(yuǎn)，完全滿足使用要求。