一種艦船用強光探照燈的設計與實現(xiàn)

李　江

(連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港　222006)

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一種艦船用強光探照燈的設計與實現(xiàn)

李江

(連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港222006)

摘要：介紹了一種艦船用強光探照燈光實現(xiàn)的基本過程。分析了如何通過反光杯的二次反射實現(xiàn)短弧氙燈的極小角度光學配光，同時也分析了如何通過螺旋傳動機構實現(xiàn)短弧氙燈的連續(xù)軸向調焦。最終實現(xiàn)了強光探照燈的遠距離強光照射及其光學焦距的連續(xù)調節(jié)。

關鍵詞：強光探照燈；調焦機構；短弧氙燈

引言

我國海域遼闊，對在我國海域頻繁活動的敵艦，如何通過警示的途徑驅趕，這對維護我國海域的安全具有重要的作用。

為此本文設計一款非致命性強光探照燈設備。通過飽和眩光，使來犯的人員眼睛無法睜開，從而起到驅逐的作用[1-2]。該設備采用短弧氙氣燈作為光源，搭載高精度二維隨動轉臺，具有強光眩目和頻閃眩目、高精度定域掃描、自動巡航等功能，該設備可實現(xiàn)對6000米海域以內活動目標的強光預警。

1強光探照燈的基本要求

本項目設計實現(xiàn)的強光探照燈為電控型探照燈，其基本的控制要求滿足GB/T 24954—2010《船舶和海上技術高速船用探照燈》的基本要求：

(a)必需功能：應能依靠本船提供的電、液壓、氣動等能源實現(xiàn)水平面或俯仰面遙控轉動；

(b)光源壽命：>100h；

(c)變焦要求：3°～8°(半峰值發(fā)散角)；

(d)開啟時間：<30s；

(e)水平范圍：>175°；

(f)俯仰范圍：以水平為準向下30°、向上最小30°；

(g)水平掃描速度：最小速度<5°/s，最大速度>10°/s；

(h)垂直掃描速度：最小速度<0.5°/s，最大速度>5°/s。

由于特殊的使用要求，因此本產品在滿足以上基本要求的前提下還需要滿足：

(a)有效照射距離≥6000m；

(b)具有0.2Hz～10Hz的頻閃頻率。

2強光探照燈的基本原理

2.1拋物面反射杯的光學原理

探照燈反光杯是由方程y2=2px的拋物線繞主軸旋轉形成的，由于反光杯子拋物面是對稱的，所以研究反光杯的切面拋物線的光學特性就可以推導出整個反光杯的光線追跡[3]。

圖1所示為點光源的其中一條光線經拋物線反射后的光追跡。其中α為光線與x軸的夾角。

圖1　光線追跡圖Fig.1　Ray tracing figure

通過M點的切線方程為：

根據(jù)反射定理可知MA∥Ox。

探照燈就是利用拋物面的這種性質，將光源置于拋物面的焦點上，經過拋物面的反射，光線與拋物面的主軸呈平行的方向射出。即理論上拋物面可以把它表面占有的空間立體角內的全部光能量匯聚成零立體角，即成平行光束射出，形成圓柱形光束。

2.2光學調焦原理

根據(jù)拋物面反射鏡的光學性質，當光源中心位于反射鏡的焦點F處時，光源在焦點發(fā)出的光線經反射鏡反射后光線平行射出，在這種情況下，光能得到最大限度地匯聚。

若光源不在反射鏡的焦點處，此時光源發(fā)出的光線經反射鏡反射后向各個方向發(fā)散地射出，能量得不到匯聚。在實際系統(tǒng)中再小的光源也有一定的體積，可以將它看作是無數(shù)個點光源，分布在焦點區(qū)域，有一點在焦點，其他在焦點的上下左右，而且散布距離不同。光源體積越大，反射光斑就越虛。

總之，點光源偏離焦點就會出現(xiàn)散射，越接近焦點，發(fā)散角越小。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，必須設計調焦機構調節(jié)燈體或反射鏡的位置，使它們能夠連續(xù)在各個方向相對運動，目的是使光源的中心置于反射鏡的焦點處，最終使光源處發(fā)出的光線經反射鏡后近似平行地射出，能量得到最大限度地匯聚。

3強光探照燈的設計

3.1高聚光反光杯的設計

理論上如果反光杯為拋物面且直徑和深度非常大，將光源放置在反光罩拋物面的焦點處，其反射出來的光線為平行光，即發(fā)光角度為0°。但實際應用中燈具反光杯尺寸有限，部分光未經過反光杯反射直接照射出來，形成雜散光，使得燈具的發(fā)光角度無法達到設計要求的3°～8°，但如果再用一個小的反光碗將燈具的雜散光回收利用，那么整燈很容易實現(xiàn)極小角度的變換[4]。

設計方法如下：要實現(xiàn)整燈光束角為2°，必須將光源放置到大反光碗(拋物面)的焦點上，讓照射到拋物面上的光線平行射出(圖2a)。并且該點也是小反光碗(球面)的球心，保證照射到小反光碗的光線原路返回(圖2b)。這樣光線會再次經過拋物面的焦點入射到大反光碗上，經過反射變成平行光(圖2c)。

圖2　光學反光杯子光路圖Fig.2　Optical figure of reflection cup

3.2光學調焦機構的設計

3.2.1傳動結構分析

調焦主要是改變光源發(fā)光點和反光罩的水平中心相對距離從而改變焦距達到聚光或散光的目的。絲杠滑塊機構又稱螺旋傳動機構，主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。 傳動形式根據(jù)絲杠和滑塊相對運動的組合情況可分四種類型(見圖3)[5]。

圖3　螺紋絲桿傳動裝置Fig.3　Lead screw transmission device

3.2.2光學調焦機構設計

結合以上幾種傳動裝置的特點和本產品的結構，我們選用類似圖3b的傳動機構作為基礎模型來實現(xiàn)該產品調焦機構的設計。本系統(tǒng)調焦裝置共由調節(jié)手柄、聯(lián)軸器、絲杠組件、滑塊、拉桿、連桿裝置、陰極支撐架和光源安裝架八個部分組成(如圖4所示)。調節(jié)手柄固定在后蓋調節(jié)腔內并通過聯(lián)軸器與絲杠組件的絲杠軸連接，絲杠組件通過安裝座固定在U型導軌底部，滑塊安裝在絲杠之上，與絲杠實現(xiàn)螺旋配合；拉桿一端固定在滑塊上并與絲桿平行，另一端與連桿連接。

圖4　調焦裝置整體示意圖Fig.4　Schematic diagram of focusing device

①前蓋；②面罩；③密封圈；④燈體；⑤光學裝置；⑥風扇；⑦后蓋圖5　強光探照燈的整體裝配圖Fig.5　Assembly drawing of the searchlight

氙氣燈光源陰極與光源安裝架固定在一起并嵌入陰極支撐架滑槽內。調焦裝置中的螺紋絲桿機構，需要調焦時，通過旋轉調節(jié)手柄使絲杠水平移動，從而帶動滑塊和拉桿沿水平相反方向移動，與之相連的連桿裝置將在其牽引下帶動氙氣燈沿陰極支撐架滑槽來回移動從而實現(xiàn)焦距調節(jié)。

4整體實現(xiàn)及功能測試

4.1探照燈的整體實現(xiàn)

燈體主要燈體、面罩、光學裝置、風扇、密封墊、前蓋和后蓋七個主要部分組成(如圖5所示)，其中光學裝置部分包含氙氣燈、反光罩、二次反光罩、固定支撐裝置及調焦裝置，面罩由鋼化玻璃透光罩和固定框架組成，燈具整體組裝簡單方便。

4.2功能測試

我們采用分布光度計對最終的原理樣機進行實際測試，測試結果顯示樣機在8米處的最大照度值

為200 000lx，按照照度與距離平方成反比的方法進行計算，燈具在6000米處的最大照度值為3lx，滿足使用要求。

5結語

本文就某款強光探照燈的設計與實現(xiàn)的基本原理和實現(xiàn)方法進行了比較全面的分析和探討。在此基礎上研制的原理樣機具有極遠照射距離和連續(xù)的調焦功能。經過多次試驗，產品性能穩(wěn)定。

參考文獻

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[2] 張騰霄，韓布新. 照明與心理健康[J]. 照明工程學報，2013，24(增刊).

[3] 周太明.光源原理與設計[M].上海：復旦大學出版社, 1993: 58-59.

[4] 張鑫，屠其菲，宋賢杰. 投影燈的光學設計[J]. 照明工程學報，2004，15(3)：14.

[5] 張繼超，丁亞林，張洪文. 一種航空畫幅遙感相機調焦機構的設計[J]. 光學儀器, 2007, 29(2):50-53.

Design and Application of A Strong Searchlight

Li Jiang

(LianyungangJARIElectronicsCo.,Ltd.，Lianyungang222006,China)

Abstract：The basic process of realization of light path in search light system is introduced. The way that how to realize a tiny angle optical light distribution for short-arc xenon lamp by multiple reflections of reflective cup is analyzed. Meanwhile the continuous focusing control method on axial focusing by screw transmission mechanism is designed. The glare over a long distance and continuous focusing method of the mechanism for strong searchlights is realized at last.

Key words:strong searchlight；optical focusing mechanism；short-arc xenon lamp

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.024