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

孫景旭，孫 斌，張星祥，任建偉，陳長征，任建岳

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；

2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039）

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

孫景旭1，2，孫 斌1，張星祥1，任建偉1，陳長征1，任建岳1

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；

2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039）

為了實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)測，設(shè)計了一種車載紅外探測設(shè)備的光機(jī)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用大孔徑、無焦反射式光學(xué)系統(tǒng)，即高精度掃描反射鏡實(shí)現(xiàn)了方位和俯仰0～360°掃描。通過有限元方法對系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果滿足光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。用錘擊法對樣機(jī)進(jìn)行了模態(tài)測試，并對車載環(huán)境下的設(shè)備進(jìn)行了振動實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，光機(jī)結(jié)構(gòu)一階頻率為52 Hz，相對于車載環(huán)境的12.5 Hz具有足夠的動態(tài)剛度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可保證該設(shè)備正常工作。

車載紅外探測設(shè)備；光機(jī)結(jié)構(gòu)；實(shí)時監(jiān)測；環(huán)境監(jiān)測；模態(tài)；動態(tài)剛度

1 引 言

國內(nèi)開展空氣污染遠(yuǎn)距離檢測技術(shù)研究起步要比國外晚。70年代末，開展了激光毒劑報警技術(shù)探索性研究，研制了激光長程雙端測試系統(tǒng)，但未實(shí)用化。80年代中后期，經(jīng)過國內(nèi)專家全面論證，確定我國以被動紅外技術(shù)作為主攻方向。目前，隨著我國綜合國力的不斷提高和國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，開展大氣污染遠(yuǎn)距離檢測技術(shù)研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價值。

國內(nèi)對氣體檢測的研究已有一定的歷史，也取得了較大的進(jìn)展。對于研制新型的檢測系統(tǒng)，用新的檢測方法去研究新的探測器以適應(yīng)場所的需要是今后的研究熱點(diǎn)。目前大氣污染檢測需要先采集大氣樣品，然后送到實(shí)驗(yàn)室，通過各種方法檢測其成分，然后通過固定的大氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)才能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時檢測。在日益注重空氣質(zhì)量的今天，非常需要靈活的機(jī)動設(shè)備以實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的實(shí)時檢測［1］。

因此，針對遠(yuǎn)距離空氣質(zhì)量檢測，本文對車載紅外探測設(shè)備進(jìn)行了研究，設(shè)計了該設(shè)備的光機(jī)結(jié)構(gòu)。考慮設(shè)備正常運(yùn)行過程中，會受到來自車載沖擊和振動環(huán)境的影響，對系統(tǒng)進(jìn)行了靜力學(xué)分析和振動實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有足夠的動態(tài)剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可滿足紅外探測設(shè)備的要求。

2 工作原理

氣體污染物紅外遙測鑒別系統(tǒng)工作原理是，首先通過高精度掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行二維空間掃描，收集氣體污染物發(fā)出的紅外輻射，進(jìn)行信息預(yù)處理和信號鑒別，然后將結(jié)果送入探測器進(jìn)行光譜分析。顯示界面用來指示氣體污染物的方位、種類及其含量，為環(huán)境監(jiān)測部門提供準(zhǔn)確的氣體污染鑒別信息。如圖1所示。

圖1 工作原理

3 光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證車載環(huán)境下光機(jī)結(jié)構(gòu)的安全及位置精度，確保良好成像和獲得較高的探測目標(biāo)能量，探測設(shè)備的結(jié)構(gòu)必須具有良好的穩(wěn)定性。探測設(shè)備對光機(jī)結(jié)構(gòu)的要求主要體現(xiàn)在：

（1）足夠的強(qiáng)度支撐光學(xué)系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)水平和方位0～360°掃描；

（2）足夠的剛度來保證系統(tǒng)工作時的定位精度和穩(wěn)定性；

（3）適應(yīng)車載的沖擊和振動環(huán)境，使設(shè)備通過光機(jī)結(jié)構(gòu)獲取適合探測目的的穩(wěn)定光束。

3.1 光學(xué)系統(tǒng)

紅外光學(xué)系統(tǒng)是紅外探測［2］設(shè)備的重要組成部分，紅外系統(tǒng)的主要作用如下：

（1）收集并接收目標(biāo)的紅外輻射能量；（2）確定目標(biāo)的方位；

（3）實(shí)現(xiàn)大視場捕獲目標(biāo)與成像。

紅外探測光學(xué)系統(tǒng)主要有折射式、反射式和折反射式［3］，其主要特點(diǎn)如表1所示。

表1 紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)Tab.1 Optical system of in frared thermal imaging

對于紅外探測設(shè)備的光機(jī)系統(tǒng)來說，光學(xué)系統(tǒng)的選型是十分重要的。為了獲得較高的探測能量以及盡量減輕探測設(shè)備的體積和重量，本探測設(shè)備應(yīng)用的是反射式物鏡中的卡塞格林系統(tǒng)。

卡塞格林系統(tǒng)由拋物面主鏡和雙曲面次鏡組成，次鏡位于主鏡焦點(diǎn)之內(nèi)。雙曲面鏡的一個焦點(diǎn)與拋物面鏡的焦點(diǎn)重合，則雙曲面的另一個焦點(diǎn)便是整個系統(tǒng)的焦點(diǎn)。這種情況下系統(tǒng)對無窮遠(yuǎn)軸上點(diǎn)是沒有像差的［4］。

該設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)如圖2，它由掃描反射鏡、主鏡、次鏡、三反鏡組成。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱，產(chǎn)生于漏光、透射光學(xué)表面的殘余反射和鏡筒內(nèi)壁等非光學(xué)表面的殘余反射，以及由于光學(xué)表面質(zhì)量問題產(chǎn)生的散射光，而紅外光學(xué)系統(tǒng)還有因系統(tǒng)自身熱輻射產(chǎn)生的雜散光。通過各鏡面鍍金以增加反射率，鏡筒設(shè)消雜光槽，各壓圈設(shè)消雜光螺紋及內(nèi)壁涂消雜光漆，能最大限度地消除雜光。

3.2 瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

為了對遠(yuǎn)處目標(biāo)取景成像，在掃描反射鏡正對通光孔位置處放置攝像頭。為了同掃描反射鏡對準(zhǔn)同一目標(biāo)，該攝像頭隨著掃描反射鏡一起運(yùn)動，從而與光學(xué)系統(tǒng)成像目標(biāo)完全一致，以便同時獲得被測對象的可見光圖像與紅外圖像。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.3.1 整體結(jié)構(gòu)

空間二維掃描望遠(yuǎn)系統(tǒng)主要由俯仰掃描部件、方位掃描部件、反射鏡部件、隔振部件等組成，各部件之間采用圓柱定位、螺釘緊固的連接方式，以達(dá)到方便安裝、調(diào)試和維修的目的。在保證強(qiáng)度的情況下，除零件設(shè)計時進(jìn)行了輕量化處理外，還采用了鎂鋁合金材料以進(jìn)一步減輕整個望遠(yuǎn)鏡的重量。整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 整體結(jié)構(gòu)

3.3.2 高精度二維掃描結(jié)構(gòu)

空間二維掃描反射鏡是為車載氣體污染物紅外遙測鑒別系統(tǒng)設(shè)計的紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，它的工作波段為1～15μm，主要作用是在進(jìn)行二維掃描過程中，為探測器收集遠(yuǎn)距離大面積云團(tuán)的紅外輻射。該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)部分如圖5。

考慮到渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)單級傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、無噪聲，并且具有良好的自鎖性能，整機(jī)通過兩套渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平和俯仰0～360°掃描，其中渦輪蝸桿1用來保證0～360°俯仰掃描，渦輪蝸桿2用來實(shí)現(xiàn)0～360°水平掃描。為了實(shí)現(xiàn)360°無限制旋轉(zhuǎn)，該結(jié)構(gòu)采用導(dǎo)電環(huán)結(jié)構(gòu)，以便在避免導(dǎo)線的纏繞，實(shí)現(xiàn)功能的同時，又能夠使布線結(jié)構(gòu)簡單可靠。為了得到總視場中出現(xiàn)景物的熱圖像，必須對景物掃描。紅外探測儀器的主要掃描方式為45°平面反射鏡在垂直于光軸的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)掃描（45°鏡掃描），平面反射鏡在由光軸和儀器高度軸組成的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)掃描（搖掃），平面反射鏡擺動掃描（擺掃），沿軌掃描以及望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)掃描（望遠(yuǎn)鏡掃描）。此外還有圓錐掃描與光楔掃描等方式。

圖5 高精度二維掃描結(jié)構(gòu)

本文所述設(shè)備是由45°掃描反射鏡繞x軸旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，這種方式控制簡單，運(yùn)行平穩(wěn)，掃描鏡尺寸小［5］。

3.3.3 隔振結(jié)構(gòu)

車載情況下，設(shè)備會受到垂向沖擊和側(cè)向沖擊載荷，直接使紅外探測設(shè)備的探測效果降低。為了減緩沖擊以及隔振，在設(shè)備底部相對距離較大的位置安放了4個具有垂向支撐和穩(wěn)定作用的隔振器。在設(shè)備側(cè)部相對距離較大的位置安放了8個用于設(shè)備穩(wěn)定效用的隔振器。在保證系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的前提下盡量降低系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率，保持強(qiáng)度條件下選用了隔振器，從而使系統(tǒng)在承受最大安全沖擊條件下具備隔振性能。在彈性變形過程中，隔振器在空間任意方向動載荷的作用下產(chǎn)生彈性動變形，大量吸收和消耗系統(tǒng)的振動能量。當(dāng)設(shè)備受到大沖擊干擾時，隔振器的非線性軟化型剛度和大彈性變形能力使系統(tǒng)的沖擊能量被大量吸收并延時釋放，從而有效地削弱了系統(tǒng)沖擊強(qiáng)度。

選用的隔振器具體技術(shù)參數(shù)如表2。隔振箱結(jié)構(gòu)如圖6。

表2 所選隔振器技術(shù)參數(shù)表Tab.2 Technical data of selected vibration isolators

圖6 隔振箱結(jié)構(gòu)

4 結(jié)構(gòu)分析與測試

4.1 靜力學(xué)分析

通常，人們十分關(guān)注主鏡的支承方式與結(jié)構(gòu)問題（標(biāo)準(zhǔn)平面鏡的支承問題與此類似），其原因是如果支承方式與結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，會引起反射鏡變形，最終大大降低望遠(yuǎn)鏡的性能。

引起變形的原因是：

（1）反射鏡自身的重力。反射鏡在結(jié)構(gòu)支承下，由于自重作用產(chǎn)生變形，引起高精度工作表面（反射面）變形，使面形性能下降；

（2）支承方式與結(jié)構(gòu)的影響。設(shè)備的殼體結(jié)構(gòu)在外部因素（如壓力、溫度、結(jié)構(gòu)安裝等）作用下會產(chǎn)生變形和內(nèi)應(yīng)力，并通過支承結(jié)構(gòu)傳遞到主鏡上，引起主鏡偏轉(zhuǎn)和變形，使設(shè)備性能下降［6］。

光機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖7。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)球面擬合法計算光機(jī)結(jié)構(gòu)中主次鏡在自重以及均勻溫升下鏡面PV值與RMS值，結(jié)果數(shù)據(jù)如表3。

圖7 光機(jī)系統(tǒng)有限元模型

表3 系統(tǒng)主次鏡在Y向自重及5℃溫升作用下的鏡面面形（nm）Tab.3 Surface shapes of primary and secondary m irrors under the action of Y-weight and 5℃temperature rise（nm）

從表3可以看出，在自重和5℃溫升下，光機(jī)結(jié)構(gòu)中紅外望遠(yuǎn)鏡組件的主次鏡面形精度完全符合指標(biāo)要求。

4.2 振動特性

該設(shè)備在進(jìn)行紅外探測過程中，車載環(huán)境下的沖擊和振動載荷會直接影響到設(shè)備光機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為了維持設(shè)備正常運(yùn)行，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動特性［7］分析是很有必要的。

車載紅外探測設(shè)備在進(jìn)行紅外探測過程中，由于地面的不平整使設(shè)備受到的地面隨機(jī)激勵是其所承受的重要動力學(xué)載荷。紅外探測設(shè)備可能會因此產(chǎn)生過度振動從而導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)破壞或發(fā)生動態(tài)疲勞破壞，使紅外探測設(shè)備發(fā)生功能損壞，導(dǎo)致紅外探測失敗。所以，有必要對車載紅外探測設(shè)備進(jìn)行振動分析，獲得紅外探測設(shè)備所受的沖擊載荷響應(yīng)，從而估算出紅外探測設(shè)備所受的疲勞損傷，使紅外探測設(shè)備獲得理想的紅外圖像，更好地應(yīng)用于空氣質(zhì)量的檢測。

所用光學(xué)系統(tǒng)屬于同軸系統(tǒng)，其各反射鏡定位、安裝較離軸光學(xué)系統(tǒng)［8］具有較大的優(yōu)越性，其次鏡通常屬于中小型反射鏡，一般通過桿系結(jié)構(gòu)與儀器本體相聯(lián)接并固定。這些反射鏡的面形精度通常可以滿足光學(xué)系統(tǒng)成像的要求，但由于桿及桿系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及桿的材料選取，次鏡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度很低，動態(tài)穩(wěn)定性有可能達(dá)不到設(shè)計要求。為保證紅外探測器的成像質(zhì)量，要求這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須具有良好的動態(tài)剛度，使紅外探測器工作時，在外界機(jī)械擾動下不抖動、不顫振、不與載體產(chǎn)生共振、不失穩(wěn)，所以在采用桿系結(jié)構(gòu)作為支撐方案的探測器中，除保證桿結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性外，還必須保證其具有較高的固有頻率。為使其固有頻率避開外界激勵頻率，有必要對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

（1）模態(tài)測試

模態(tài)測試系統(tǒng)如圖8。

圖8 模態(tài)測試系統(tǒng)

結(jié)果如圖9所示。

（2）車載條件下具有隔振系統(tǒng)的紅外探測設(shè)備的振動加速度響應(yīng)，如圖10、圖11、圖12所示。

通過對具有隔振系統(tǒng)的車載探測器整機(jī)的振動試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)果：

探測器一階固有頻率在52 Hz，相對車載環(huán)境和外界干擾頻率而言，具有足夠的動態(tài)剛度，可以保證紅外探測器獲得穩(wěn)定光束，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖9 錘擊法模態(tài)測試結(jié)果

圖10 x向加速度響應(yīng)

圖11 y向加速度響應(yīng)

圖12 z向加速度響應(yīng)

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種車載紅外探測設(shè)備的光機(jī)結(jié)構(gòu)，采用高精度掃描反射鏡實(shí)現(xiàn)了水平和俯仰0～360°的掃描，滿足了紅外探測設(shè)備的要求。對該結(jié)構(gòu)中的光學(xué)系統(tǒng)部分做了詳細(xì)說明，利用有限元方法進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出的結(jié)果說明主次鏡面形完全滿足光學(xué)設(shè)計的要求；通過振動特性的分析，提出了一種解決方案，即在設(shè)備的底部和側(cè)部加載隔振器，滿足車載環(huán)境的要求，從而可以保證紅外設(shè)備的正常探測工作。

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Design of optical and mechanical structure of on-truck infrared detection equipment

SUN Jing-xu1，2，SUN Bin1，ZHANG Xing-xiang1，REN Jian-wei1，CHEN Chang-zheng1，REN Jian-yue1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

In order to test the air quality in real-time，an optical andmechanical structure of on-truck infrared detection equipment is designed.Using large aperture optical system，high precision scanning structure and unfocus reflecting telescope，the system achieves0-360°scanning in orientation and pitching.The structural static analysis of the system is performed using finite elementmethod and the resultsmeet the optical and mechanical design requirements.A modal test is done by hammer beatmethod and a vibration test is carried out under the on-truck environment.Comparing the two results above，the first-order frequency of the optical and mechanical structure is 52 Hz，which has sufficient dynamic stiffness corresponding to the 12.5 Hz in the ontruck environment and can ensure the stable operation of infrared detection devices.

on-truck infrared detection equipment；optical and mechanical structure；real-time test；environmental test；mode；dynamic stiffness

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（863-2-5-1-13B）

TN219；X831

A

1674-2915（2010）04-0397-07

2010-04-17；

2010-06-23

孫景旭（1984—），男，山東聊城人，碩士研究生，主要從事空間光學(xué)遙感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計及CAD/CAE工程分析等方面的研究。Email：sunjingxu2004＠163.com

任建岳（1952—），男，吉林長春人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事光機(jī)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計及有限元分析等方面的研究。

張星祥（1977—），男，云南大理人，副研究員，主要從事空間光機(jī)電一體化等方面的研究。