機載平臺紅外探測設備減振技術

葉宗民，李 卓

機載平臺紅外探測設備減振技術

葉宗民，李 卓

（91404部隊93分隊，河北 秦皇島 066001）

紅外成像測量設備裝載在飛機平臺上測量地面目標，首先要解決的問題就是平臺抖動及環(huán)境變化對設備穩(wěn)定跟蹤和成像清晰度的影響。本文針對機載平臺抖動對設備跟蹤測量的影響，采用被動隔離加主動陀螺穩(wěn)定控制的技術，通過被動減振器隔離高頻擾動，框架伺服系統(tǒng)抑制低頻擾動，確保設備穩(wěn)定跟蹤、清晰成像。針對地面與空中環(huán)境溫度變化對紅外光學系統(tǒng)的影響，在光學鏡頭的設計中采用無熱化補償措施和調(diào)焦量補償控制，確保設備清晰成像。通過仿真計算和外場測量證明，本文研究的減振措施合理有效，采用該措施研制的設備跟蹤穩(wěn)定、成像清晰，能夠滿足不同平臺的掛飛測量任務。

紅外探測；機載；減振；穩(wěn)定跟蹤

0 引言

隨著目標識別跟蹤技術的發(fā)展，目標與環(huán)境紅外特性研究、紅外成像制導和紅外隱身設計等領域?qū)ν鈭黾t外特性測量都提出了更高的要求，目標紅外輻射特性的測量可為目標的探測、定位、識別、跟蹤等研究提供多方面的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的仿真提供目標的物理特征及數(shù)學模型，為隱身效果評估和隱身結(jié)構設計提供量化的特征[1]。而測量最重要的是需要一套滿足各種測量平臺的系統(tǒng)穩(wěn)定性高、成像清晰、測量精度高的紅外特性測量設備，尤其是在空中對地面目標進行動態(tài)測量[2]。目前，國內(nèi)的機載吊艙主要是用于環(huán)境監(jiān)測和圖像錄取，針對無人平臺的紅外目標特性測量的吊艙還沒有，主要是通過在有人機上加裝熱像儀或光譜儀進行測量。本文主要研究紅外成像測量設備加裝無人平臺進行外場測量需要解決的振動隔離和清晰成像問題，以便實現(xiàn)對海面目標實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤測量。

1 設備結(jié)構及安裝減振設計

與陸基或車載測量系統(tǒng)相比，由于機載平臺在飛行過程中受氣流和自身運動影響，會對安裝在其上的測量吊艙產(chǎn)生擾動，使得測量單元接收到的目標輻射能量發(fā)生分散，降低目標紅外特性跟蹤測量的精度。因此要求測量吊艙能夠隔離載體運動，保證測量單元的視軸相對慣性空間穩(wěn)定，從而實現(xiàn)機載目標紅外特性高精度跟蹤測量。

為了保持載機氣動外形，減少對載機機動性的干擾，測量吊艙外形設計成球形，選取導熱性、導電性及電磁屏蔽性能好且具有較高的比剛度、比強度和良好的消振性能材料，在滿足剛度、強度及穩(wěn)定性的前提下，通過采用中空的蜂巢結(jié)構或加強肋等優(yōu)化設計，去除掉不必要的多余重量，選用質(zhì)量輕、微型化的外購接插件、元器件等，達到輕型化、小型化的目的。機載設備結(jié)構安裝接口上均設置減振器，測量吊艙與升降機構通過減振器相連，隔離載機起飛和降落時對設備產(chǎn)生的沖擊，保護機載設備內(nèi)部的光學和電子器件，電路板采用加固框加固，增加抗沖擊和振動的能力[3]。

為確保測量吊艙能夠承受載機起降過程中的沖擊與振動，通過減振器剛度阻尼及承載力計算分析選擇合理的減振器，并結(jié)合測量吊艙的質(zhì)量重心情況設計合理的安裝布局，以實現(xiàn)對振動的有效抑制。測量吊艙與升降機構通過減振器相連，安裝示意圖如圖1所示。

圖1 減振器安裝示意圖

吊艙采用如圖2所示的二級減振方案。第一級為外框架減振器，外減振器安裝在吊艙與升降機構連接的基座上，光電吊艙整體座在4個均勻分布的外減振器上，實現(xiàn)對光電吊艙整體隔振。外減振器主要隔離向振動，、向自由度被限制，繞、、向的旋轉(zhuǎn)運動也同時被限制。第二級是內(nèi)框架減振器，為金屬橡膠無角位移減振器，8個參數(shù)完全相同的內(nèi)減振器相對于光學艙的質(zhì)心對稱布置，保證彈性系統(tǒng)的彈心與負載的重心重合，從而實現(xiàn)減振系統(tǒng)的完全解耦。

圖2 吊艙二級減振原理圖

內(nèi)減振器由金屬構件與橡膠材料組合而成，通過結(jié)構設計，減振器不能繞、、向旋轉(zhuǎn)和向移動，只能沿、向平動，結(jié)構如圖3所示。

圖3 金屬橡膠內(nèi)減振器結(jié)構圖

2 吊艙隔振穩(wěn)定控制技術

載機飛行過程中，由于氣流影響使得機身產(chǎn)生擾動，會影響到測量單元的成像清晰度以及吊艙的跟蹤精度，這就需要平臺能夠隔離載體運動，保證測量單元視軸相對慣性空間穩(wěn)定。為此，穩(wěn)定跟蹤平臺采用雙軸兩框架結(jié)構，框架上安裝速率陀螺，感應載機擾動，產(chǎn)生與干擾力矩成正比的電壓信號用于控制軸系穩(wěn)定電機，施加與干擾力矩大小相等方向相反的力矩以消除機身擾動的影響。

穩(wěn)定跟蹤單元由方位機構、俯仰機構及吊艙艙體結(jié)構件等部分組成，其中方位機構包括方位軸系、方位座及其U型架、方位力矩電機、方位碼盤和光電一體化滑環(huán)等部件；俯仰機構包括俯仰軸系、俯仰包、俯仰力矩電機、限位機構、方位碼盤、光纖陀螺、電源模塊等部件。穩(wěn)定跟蹤平臺的原理框圖如圖4所示。

方位框架的回轉(zhuǎn)軸上安裝導電滑環(huán)、并用高精度光電編碼器作為測角元件，由大力矩電機直接驅(qū)動，該軸系垂直布置支承方位軸系的所有部件，軸系兩端分別安裝了軸系的支承軸承、驅(qū)動電機和測角元件。方位軸系上端通過方位基座與上蓋之間的O型圈實現(xiàn)密封，下端通過方位基座上的擋水裙實現(xiàn)防水。俯仰包采用整體密封性設計。其中軸端采用骨架動密封，框架與各端蓋壓合處采用O型密封圈密封。

圖4 穩(wěn)定跟蹤平臺原理框圖

穩(wěn)定跟蹤平臺方位俯仰均采用力矩電機直接驅(qū)動方式，控制結(jié)構和控制算法設計方法基本相同，且相互之間相對獨立，均包含電流回路、速度回路和位置回路3個部分。對于速度穩(wěn)定系統(tǒng)，采用了以編碼器進行數(shù)字測速形成局部速度反饋內(nèi)環(huán)，而以陀螺作為空間測速元件組成外環(huán)的雙環(huán)結(jié)構，內(nèi)環(huán)由于包圍了摩擦力矩擾動，主要用于消除摩擦力矩的影響，外環(huán)主要用于穩(wěn)定。

載機飛行過程中受氣流干擾產(chǎn)生擾動，自身發(fā)動機的工作也會產(chǎn)生擾動，根據(jù)擾動頻率的特點，可分為高頻擾動部分（＞20Hz）和低頻擾動部分（＜20Hz）。針對不同頻率的擾動需要采取不同的抑制措施：通過框架伺服系統(tǒng)抑制低頻部分擾動，而高頻擾動通過被動減振器實現(xiàn)隔離。因此解決機載吊艙穩(wěn)定的有效途徑是采用被動隔離加主動陀螺穩(wěn)定控制的技術，如圖5所示。

被動隔振措施在本文第一部分已經(jīng)闡述，這里不再詳述，框架直驅(qū)控制系統(tǒng)的高精度穩(wěn)定控制包括以下解決途徑：①通過高精度快響應的伺服控制方法，采取干擾力矩的在線辨識和補償技術，解決非線性摩擦、風載荷和飛行平臺機動等產(chǎn)生的干擾力矩。②針對兩軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的大仰角非線性問題，采取補償控制方法，實現(xiàn)俯仰角全范圍的高精度穩(wěn)定控制。③速率穩(wěn)定系統(tǒng)的核心組成是低漂移、高寬帶的角速率陀螺，通過陀螺實時濾波技術提高角速率陀螺的動態(tài)精度，以達到提高控制增益，抑制飛行平臺姿態(tài)擾動提高穩(wěn)定精度的目的。

圖5 吊艙慣性穩(wěn)定控制示意圖

3 光學系統(tǒng)適應性設計

為滿足測量吊艙體積小、重量輕的要求，雙視場光學鏡頭設計采取沿軸平行移動變倍組來進行視場的切換，并盡量減少移動透鏡的數(shù)量[4]。通過優(yōu)化，在改變視場過程中，移動透鏡的數(shù)量僅為一片。軸向移動式雙視場光學鏡頭利用系統(tǒng)中一個鏡片組的移動來改變系統(tǒng)焦距，由前固定組、變倍組和后固定組組成，其中前固定組為正透鏡，變倍組為負透鏡，后固定組為正透鏡，通過改變變倍組的軸向位置，從而改變整個系統(tǒng)的焦距，并保證變焦時像面位置不變。

3.1 主動無熱化設計

由于空中與地面之間的環(huán)境差異較大，特別是溫度，隨高度上升會迅速下降，溫度變化會導致紅外鏡頭的材料折射率、透鏡厚度、透鏡曲率半徑和鏡筒尺寸發(fā)生變化，若不采取補償措施紅外光學系統(tǒng)的成像性能將急劇下降。為了保證光學系統(tǒng)的性能，必須采取無熱化補償措施。對于兩檔變焦光學系統(tǒng)，由于不同焦距下所需要的調(diào)焦量不同，所以采用雙金屬片或不同鏡片材料組合的被動式無熱化難以實現(xiàn)[5]。本系統(tǒng)將采取主動無熱化補償措施，具體措施是在鏡頭內(nèi)安裝溫度傳感器，根據(jù)環(huán)境溫度移動調(diào)焦鏡片，實現(xiàn)調(diào)焦量的補償，調(diào)焦機構采用凸輪傳動機構，由微電機帶動凸輪做旋轉(zhuǎn)運動，通過凸輪上的兩條凸輪槽，帶動變焦鏡片做前后運動，實現(xiàn)變焦功能。不同環(huán)境溫度下通過移動調(diào)焦鏡片，實現(xiàn)調(diào)焦量的補償，確保圖像在不同溫度條件下始終清晰[6]。

為簡化系統(tǒng)結(jié)構，中波鏡頭設計采取沿軸平行移動變倍組來進行視場的切換，并盡量減少移動透鏡的數(shù)量，通過優(yōu)化，在改變視場過程中，移動透鏡的數(shù)量為一片。系統(tǒng)由9片透鏡組成，材料為硅、鍺、硫化鋅和氟化鎂4種常用紅外光學材料。變焦和聚焦功能由一片鍺透鏡沿光軸前后移動實現(xiàn)，系統(tǒng)光路如圖6所示。

圖6 中波紅外光學系統(tǒng)光路圖

長波紅外光學系統(tǒng)的結(jié)構形式與中波類似，系統(tǒng)由9片透鏡組成，材料為鍺和硫化鋅兩種常用紅外光學材料。變焦和聚焦功能由一片鍺透鏡沿光軸前后移動實現(xiàn)，系統(tǒng)光路如圖7所示。

圖7 長波紅外光學系統(tǒng)光路圖

3.2 減振設計

作為機載測量分系統(tǒng)主要搭載平臺的載機一般采用彈射起飛和傘降方式，起飛降落時會受到較大的沖擊和振動，除測量吊艙為光學系統(tǒng)提供的減振措施外，光學系統(tǒng)還采用了以下設計措施：在壓圈和鏡片之間增加橡膠O型圈，避免了金屬壓圈和光學鏡片的直接硬接觸，以防止機載振動條件下鏡片破裂；鏡片與鏡筒之間留有1mm左右的大間隙，待鏡片裝配完成后，用硅膠填充該間隙，以提高鏡片徑向方向的抗振性能，如圖8所示。

圖8 光學鏡片減振措施示意圖

3.3 像質(zhì)分析

短焦端在系統(tǒng)特征頻率33mm/lp處，中波光學系統(tǒng)各視場調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.4，長波光學系統(tǒng)各視場調(diào)制傳遞函數(shù)均接近衍射極限，如圖9所示。

圖9 紅外光學系統(tǒng)短焦端調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

中波光學系統(tǒng)短焦端成像最大畸變?yōu)?.78%，長波光學系統(tǒng)短焦端成像最大畸變?yōu)椋?.1%，如圖10所示。

長焦端在系統(tǒng)特征頻率33mm/lp處，中波光學系統(tǒng)邊緣視場子午方向調(diào)制傳遞函數(shù)為0.38，其余各視場調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.45，長波光學系統(tǒng)各視場調(diào)制傳遞函數(shù)均接近衍射極限，如圖11所示。

中波光學系統(tǒng)長焦端成像最大畸變?yōu)?.2%，長波光學系統(tǒng)長焦端成像最大畸變?yōu)?%，如圖12所示。

光學系統(tǒng)在室內(nèi)溫箱設計－10℃和外場20℃條件下成像效果[7]如圖13所示。

4 系統(tǒng)減振效果驗證

4.1 沖擊、振動試驗驗證

系統(tǒng)按照GJB150A-2009《設備環(huán)境試驗方法》規(guī)定要求，開展了沖擊、振動試驗，驗證設備在沖擊、振動環(huán)境下的工作適應性[8]，測試情況如表1所示。

圖10 紅外光學系統(tǒng)短焦端場曲和畸變曲線

圖11 紅外光學系統(tǒng)長焦端調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

圖12 紅外光學系統(tǒng)長焦端場曲和畸變曲線

圖13 實際成像效果圖

表1 試驗條件參數(shù)表

測試結(jié)果：振動試驗在試驗前、試驗中、試驗后對產(chǎn)品進行測試，沖擊試驗在試驗前、試驗后對產(chǎn)品進行測試，所有設備測試結(jié)果正常。

4.2 穩(wěn)定精度仿真結(jié)果

穩(wěn)定精度可以通過隔離度進行分析，指穩(wěn)定平臺對載體運動的去耦能力，用載體姿態(tài)變化角和框架指向誤差角之比的分貝數(shù)表征。影響隔離度的主要因素包括以下幾點。

姿態(tài)擾動的頻率：由于載機姿態(tài)的變幻不是規(guī)律的，頻率、幅值時刻處于變化中，因此無法采用理論上可以完全隔離擾動的前饋控制，只能使用反饋控制。而反饋系統(tǒng)的擾動隔離度隨著頻率的增加而減小。

姿態(tài)擾動的幅值：若擾動幅值非常大，超出了伺服系統(tǒng)電機的能力范圍，則隔離度必然低于理論計算值。實際系統(tǒng)中，通過合理選擇電機驅(qū)動能力，可以避免該問題。

陀螺漂移和噪聲：陀螺漂移相當于在數(shù)據(jù)中增加了一項虛假值，造成伺服控制的實際效果中也存在漂移，降低了隔離度；陀螺噪聲引入了實際并不存在的白噪聲信號，伺服系統(tǒng)對它的響應相當于引入其它擾動源，降低了系統(tǒng)的隔離度。通過選擇高性能陀螺和合適的數(shù)據(jù)處理方法，可以克服該因素的影響。

伺服控制性能：伺服系統(tǒng)設計是決定系統(tǒng)隔離度的決定性因素。伺服控制誤差主要與驅(qū)動電機力矩、碼盤分辨率和控制算法有關。根據(jù)吊艙負載，以及本方案選擇的電機、碼盤和控制算法，建立起吊艙控制模型進行仿真。針對艦船類典型目標，速度慢、機動小，仿真得到的誤差不大于0.2mrad。

考慮低頻擾動，不影響探測器空間分辨率的低頻擾動幅值a的計算公式如下：

式中：是正弦運動周期；e是探測器積分時間；是正弦擾動的峰峰值。

通過計算，在載機擺動0.5Hz，幅度3°的典型過程下，隔離后的擾動幅值a＝49.3mrad。如圖14所示，根據(jù)控制設計仿真，在輸入10°/s，0.5Hz的速率干擾下，經(jīng)陀螺穩(wěn)定隔離后，速度幅度衰減至0.01°/s。

圖14 10°/s, 0.5Hz速率干擾隔離曲線圖

4.3 動態(tài)跟蹤精度驗證

系統(tǒng)在外場條件下開展了動態(tài)跟蹤精度測試，對系統(tǒng)跟蹤精度進行驗證，設備架設在移動拖車上，對測試跑道上行駛的汽車進行了跟蹤，長波/中波小視場、長波/中波大視場，跟蹤角偏差均方差統(tǒng)計情況如圖15所示。通過不同視場的中長波探測器跟蹤目標時的角度偏差值波動情況，可以看出系統(tǒng)能夠在活動平臺上穩(wěn)定跟蹤快速移動的目標。

5 結(jié)論

近年來，紅外熱成像日益廣泛地應用于各種軍事技術中，為紅外武器的使用提供特征預測。現(xiàn)代武器系統(tǒng)越來越重視通過目標所產(chǎn)生的紅外輻射來探測、識別、攻擊目標，而發(fā)展紅外武器系統(tǒng)及目標的隱身性能都要求提供各種典型目標的紅外輻射特性[9]。紅外成像測量系統(tǒng)是獲取目標紅外特征分布研究其目標特性的重要手段，而紅外成像測量系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定跟蹤和清晰成像又是測量系統(tǒng)的最需要解決的問題。

圖15 系統(tǒng)動態(tài)跟蹤精度

本文為了解決這些問題采取的主要措施有：①機載設備結(jié)構安裝接口上安裝減振器，隔離載機起飛和降落時對設備產(chǎn)生的沖擊，保護機載設備內(nèi)部的光學和電子器件。②機載設備的外殼選材、框架設計、電路板加固等方面增加抗沖擊和振動的能力，接插件采取密封、灌封等措施，緊固件采取防松處理。③測量吊艙采用被動隔離加主動陀螺穩(wěn)定控制的技術，通過框架伺服系統(tǒng)抑制低頻擾動，被動減振器隔離高頻擾動。④光學組件裝配通過壓緊螺圈和膠粘工藝的配合，提高鏡片的抗沖擊和振動能力，在環(huán)境溫度變化時，通過調(diào)焦量的補償，確保成像在不同溫度條件下始終清晰。經(jīng)過系統(tǒng)實際測試證明這些措施合理有效，對紅外測量系統(tǒng)實現(xiàn)不同環(huán)境下和平臺下的穩(wěn)定跟蹤測量，獲取目標紅外特征提供了重要保障。

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Vibration Reduction of Infrared Detection Equipments on Airborne Platform

YE Zongmin，LI Zhuo

(The 93 Department of 91404 Unit, Qinhuangdao 066001, China)

Airborne infrared measurement systems are mounted on aircraft to track and measure the infrared characteristics of the ground target. The impact of platform jitter and environmental change must be addressed to achieve stable tracking and measurement accuracy. To this end, the technology of passive isolation and active gyroscopic stability control was used in this study to examine the influence of airborne platform jitter. To ensure stable tracking and imaging, the high-frequency disturbances were isolated through a passive shock absorber, and the low-frequency disturbances were suppressed through a frame servo system. Non-thermalization compensation calculation and focusing compensation control were adopted in the design of the optical lens to ensure clear imaging of the equipment and thus study the influence of the temperature change of the ground and air environment on the infrared optical system. Simulation calculations and field measurement demonstrated that these vibration reduction measures are reasonable and effective. The equipment thus developed is stable in tracking and clear in imaging. Therefore, it is suitable for realizing hanging flight measurement on different platforms.

infrared detection, airborne, vibration reduction, stability tracking

TP391.9

A

1001-8891(2020)12-1151-08

2020-04-16；

2020-12-07.

葉宗民（1982-），男，碩士研究生，江蘇溧水人，研究方向為光學目標特性測試與研究。E-mail: 87757923@qq.com。