振動影響航空TDICCD相機像質的集成分析

孫寶玉,王俊強,谷 巖,林潔瓊

(長春工業大學機電工程學院,吉林 長春 130012)

1 引 言

近年來,在農業、公共安全和軍事領域航空相機被廣泛應用。TDI(Time Delay and Integration)工作模式CCD通過延遲積分的方式收集信號電荷,在靈敏度、信噪比及分辨率等方面具有獨特優勢,被廣泛應用在航空遙感領域[1]。航空相機在工作過程中會受到外部風阻、內部光電載荷運動以及載機產生的振動,其中對航空相機光學性能影響最為嚴重的是載機振動[2]。在航空相機光學系統成像中,這些振動會造成各光學元件內部或光學元件相互之間產生微小的位移,使成像模糊,光學性能降低[3-12]。這一問題隨著航空相機分辨率的需求不斷提高而日益明顯,成為航空相機發展中亟待解決的問題。光機集成分析將航空相機的光學系統和機械系統作為一個整體,對光學、機械之間的相互作用進行綜合分析,并運用CAE技術以及光學設計軟件對系統整體進行設計和優化[13-15]。

本文對項目研發的某航空相機,采用光機集成建模分析方法,對其成像質量在受到振動激勵影響后的變化程度進行研究。建立航空相機光機系統的集成分析模型,對其進行結構有限元分析,得到其在振動激勵作用下的光學元件微位移,以Fringe Zernike多項式為接口文件對分析結果進行擬合,將擬合后的數據輸入到光學設計軟件中進行光學分析,最后以MTF和像點點列圖為評價指標,對振動造成的成像性能影響程度進行評價。

2 航空相機有限元模型的建立

航空相機的光機系統在受到振動載荷激勵后,其內部光學元件會發生剛體位移和表面畸變,航空相機的離軸、離焦和傾斜會受到剛體位移的影響,航空相機的相差會受到表面畸變的影響。通過結構有限元分析可以得到剛體位移和表面畸變的原始數據,然后通過轉換接口對數據進行處理,進而利用光學軟件進行光學性能評價。通過光學分析軟件分析得到的數據,即可對光學系統的成像性能在受到振動激勵后的變化程度進行評價,同時可以對航空相機的設計和裝調進行指導。在光機集成分析中,機械結構的有限元分析和光學系統的光學分析之間的數據轉換是極其重要的一環,一個好的數據轉換接口直接影響到分析結果的精確度,綜合考慮,選擇Fringe Zernike多項式作為此案例的數據轉換接口[16-17],具體分析流程如圖1所示。

為了研究振動對航空相機光學系統成像質量的影響,以項目研發的某航空相機的光機系統為研究對象,對光機系統的光學性能在受到外界振動載荷激勵作用后的變化程度進行分析。航空相機結構如圖2所示。

圖2 航空相機實物

該航空相機為針對在復雜工作環境中提高光機部件的成像性能而特別研發。相機由6組鏡片組成光路系統,其中第4個鏡面為非球面,鏡片與鏡頭之間采用擋圈剛性連接,鏡頭與鏡筒通過4個均勻分布的螺釘連接,鏡筒通過內接口與底座套緊并用螺釘固定,CCD通過螺釘與轉接板固定連接,轉接板通過螺栓與底座固定連接。根據航空相機實物設計尺寸要求建立三維模型如圖3所示。

圖3 航空相機結構三維模型

利用有限元分析軟件建立光機系統的有限元模型如圖4所示,整個模型共計302809個單元。

圖4 航空相機有限元模型

3 航空相機光機系統的集成分析

3.1 航空相機的振動響應分析

振動對光學系統成像質量的影響主要現在光學元器件間相對位置發生改變。這種位置變化包括相對位置的平移、傾斜以及面形變化。無論何種變化都將改變光路,最終對航空相機光學系統的成像性能產生影響。為得到這些變化,需對該航空相機有限元模型進行動力學分析。

1)模態分析

為得到該航空相機光機系統的固有頻率及其各階振型,對該航空相機光機系統進行模態分析。航空相機光機系統的前2階模態振型如圖5所示,表1為光機系統的前6階自然頻率和振型描述。

從航空相機的模態振型圖可以看出,其鏡頭和CCD部分抗振性能較差,需提高減振性能。六階模態CCD部分振型擺動較大,但其頻率已達到2380.8 Hz,已遠超出航空相機的正常工作頻率,對成像性能影響不大,在后期優化過程中可以考慮增加轉接板的厚度或更換剛度更大的材料。

圖5 航空相機模態分析

表1 模態分析結果

Tab.1 The results of modal analysis

階次頻率/Hz振型一階449.84繞Y軸擺動二階1013.5繞X軸擺動三階1394.0繞X軸扭轉四階1655.6繞Z軸擺動五階2353.4繞Y軸擺動六階2380.8繞X軸擺動

2)頻率響應分析

分別沿x、y、z軸三個方向對該模型施加大小為0.2 m/s2的加速度載荷進行頻率響應分析,圖6所示為提取的非球面鏡的加速度響應曲線。

從頻率響應曲線圖可以看出,450 Hz、1010 Hz和1660 Hz為非球面鏡加速度響應的主要峰值頻率,在450 Hz附近的加速度響應最大,這與模態分析的結果相近,驗證了模態分析結果的準確性。以450 Hz作為振動位移載荷對光機系統進行瞬態響應分析,模擬航空相機在最惡劣工況下的響應。

3)瞬態響應分析

光機集成分析中的有限元模型可以模擬外界加載在航空相機上的振動干擾。分別在x,y,z方向施加幅值為12 μm,頻率為450 Hz的正弦振動位移載荷激勵,得到如圖7所示的非球面鏡面的位移-時間響應曲線。

從仿真結果可以看出,航空相機光機系統在z方向的位移響應要比x、y方向的位移響應大一個數量級。可以得知光機系統在受外界激勵時,z方向受到的影響更大,在后期結構優化中,應著重注意z方向的減振。

圖6 非球面鏡的加速度響應曲線

圖7 非球面鏡面位移-時間響應曲線

分別沿x,y,z三個方向航空相機光機系統有限元模型施加單位載荷,對其進行靜力學分析,分別輸出12個鏡面的節點位移數據,通過擬合算法得到12個鏡面在振動激勵后的剛體位移和轉動角度,表2為擬后各鏡面的位移響應。

表2 擬合后各鏡面的位移響應

3.2 航空相機光學系統及仿真分析

航空相機光學系統的物距為500 mm,口徑是10 mm,工作波段為可見光,其光學元件材料分別采用HZBAF50、HF13、HZK6、HZK20、F2、HZBAF50,航空相機光學系統模型如圖8所示。在空間采樣Nyquist頻率為91 lp/mm時,航空相機光學系統的調制傳遞函數在全視場均優于0.34。

圖8 航空相機光學系統模型

在光學設計軟件中輸入擬合得到的12個鏡面的37項Fringe Zernike多項式系數,得到振動載荷激勵下航空相機的光學傳遞函數和像點點列圖,如圖9和圖10所示。

圖9 光學系統的調制傳遞函數

從圖9中可以看出振動激勵后航空相機光學系統的調制傳遞函數有所降低,其中14°視場下,調制傳遞函數值在91 lp/mm分辨率時由0.337799下降到0.304881。圖10為光學系統沿光軸方向的點列圖,從圖中可以看出在振動激勵前的系統艾里斑半徑為6.722 μm,系統每個視場下的像點點列圖彌散斑半徑均在艾里斑半徑內。而在振動載荷激勵后,在0°視場和6°視場下的系統像點點列圖彌散斑半徑依然落在艾里斑半徑內,但在10°和14°視場下的系統點列圖彌散斑半徑分別為6.960 μm和14.186 μm,均大于振動激勵后系統的艾里斑半徑,由此可見在受到振動載荷激勵后,航空相機光機系統的像點點列圖在不同視場下會發生不同程度的偏移和彌散,系統成像受到較大的影響。為了得到好的成像性能,需設計減振裝置。

圖10 光學系統的點列圖

4 結 論

對于航空相機來說,光學系統在受到振動載荷激勵后,其光學性能下降。采用光機集成分析的方法,分析航空TDICCD相機的成像質量受到振動激>勵的變化程度。分析結果表明,項目研發的航空相機光機系統在受到振動激勵后,光軸方向受到的影響最為嚴重,在施加單位載荷激勵后,光學系統在91 lp/mm分辨率時MTF下降了9.7 %,10°和14°視場下的像點點列圖發生了偏移和彌散,系統的光學性能受到影響。分析研究結果表明:光機集成分析方法對研究振動對航空相機光學系統成像質量的影響行之有效,為航空相機光機系統進一步的結構優化提供方向性指導。