機載光電吊艙隔振系統研究綜述

董萬元

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

光電吊艙是以無人機、直升機或預警機等作為載機，利用光電吊艙內成像系統對地面目標進行搜索定位、識別跟蹤、導航指引及動態監視等，獲取地面目標的清晰圖像，以供偵查、作戰分析或遠程打擊。光電吊艙的內部集成了用于成像的多種光學元件，除光學鏡頭等光電部件的自身質量會影響成像效果外，光電設備載體的結構振動成為影響其成像質量的主要因素[1]。振動引起圖像模糊的原因是由于成像系統相對于飛機的轉動以及目標相對于成像系統的運動。在動態成像曝光時間內，若成像點相對于傳感器發生移動，像移部分雖然可以通過成像算法消除，但殘留的像移影響卻無可避免，于是就導致了圖像模糊[2]。

機載光電吊艙受到的振動主要包括機體結構振動和光電吊艙自身擾動。機體結構振動主要是由發動機運轉、外部氣流擾動、機動飛行以及螺旋槳轉動等引起的外部振動。機體結構振動的特點是頻率帶寬較寬、振動量級大，涵蓋了頻率從5～2000 Hz的不同量級的振動[3]，對光電設備成像質量的影響十分嚴重。光電吊艙自身振動即光學系統內部的調焦、變倍機構旋轉引起的振動，以及相機的重心不固定和攝像機座架搖擺產生的振動等。自身擾動的特點是引起的振動較小，但是對成像質量的影響卻不可避免。由此可知，無論是外部振動還是自身擾動，都將直接或間接地對光電系統的成像質量、穩瞄精度和光電器件的使用壽命、可靠性等產生不利影響[4]。雖然目前光電吊艙伺服穩定系統帶寬可以做到25 Hz左右，對系統帶寬以內的振動擾動可由伺服穩定系統來消除，但是對系統帶寬以外的高頻振動擾動，必須對光電吊艙進行隔振設計來減小載機的振動載荷對光電吊艙造成的不利影響，從而提高機載光電吊艙成像系統的清晰度、分辨能力以及瞄準精度等。

傳統的機載設備沒有精度控制要求，常采用4個或6個金屬或橡膠減振器直接與載機連接。由于設備的重心高于隔振安裝點，這種支撐方式會帶來嚴重的俯仰角振動。文獻[5]指出最大角振動可達144″，這個量級將導致成像模糊。例如機載激光瞄準器距離靶標400 km，若要使激光瞄準點的瞄準誤差控制在0.5 m以內，則控制鏡的角指引精度就需要控制在10-6rad量級[6]。文獻[7]中分析表明，線振動振幅為1 mm的影響和物體相對于飛機上的CCD探測器產生的像移都可忽略不計，并且傳遞函數很高，而角振動影響卻非常大，傳遞函數很低，角振動的振幅為30″產生的像移是線振動振幅為1 mm時產生像移的436倍。因此角振動對成像質量的影響比線振動大得多，角振動會嚴重影響光電吊艙的成像質量。

因此機載光電吊艙隔振設計較電子設備有所不同，除對隔振系統的頻率要求較低之外，通常隔振系統的頻率低于30 Hz，更主要的是能夠抑制光電吊艙的角位移振動。因此，如何消除角振動成為光電吊艙隔振設計的重中之重。本文的目的是綜述近年來國內外學者對機載光電設備的隔振設計方法和技術，以及隔振安裝形式，從振動對光電設備成像的影響分析和無角位移隔振設計方法兩個方面進行綜述。

1 振動對光電設備成像的影響

光電吊艙結構質量的不平衡以及在內外擾力的作用下，將不可避免地導致光電設備內部元件的振動，使光路傳輸發生偏轉，從而使得光電系統的圖像不清晰。文獻[7-8]中從光路成像原理分析了線性振動和角振動對光電吊艙成像質量的影響，分析方法如圖1和圖2所示，其結論是角振動對成像質量的影響比線性振動大得多。究其原因在于光電吊艙的鏡頭距離跟蹤目標的距離達幾公里甚至幾十公里，鏡頭的角振動所產生的圖像位移量遠大于線性振動所產生的圖像位移量。

圖1 線性振動示意 Fig.1 Schematic diagram of linear vibration

圖2 角振動示意 Fig.2 Schematic diagram of angular vibration

軍械工程學院的李玉龍等人[9]認為，光學系統的振動與物體空間六自由度系統類似，可分解為三軸平動和繞三軸轉動。于是利用幾何分解方法將角振動進行分解，可等效成像點相對于像面的線振動，如圖3所示。建立角振動參數與像點相對像面的線振動參數的關系式，再通過分析縱向、橫向的高頻、低頻線振動對光學系統MTF的影響，推導出線振動參數與MTF的量化關系式，得到對應的角振動參數對系統MTF影響的量化關系，進而研究光電平臺的角振動對光學成像系統傳遞函數（MTF）的影響。研究結果表明，高頻角振動時，振動頻率對調制傳遞函數的影響較小，振幅影響較大，振動幅值越大，調制傳遞函數減小越快，圖像質量下降也越快。低頻角振動時，角振動幅值對圖像質量影響較大，要保證角振動的幅 值在允許的范圍內，可通過縮短曝光時間來增加有效的分辨率。

經分析，角振動較線振動對光電吊艙成像效果的影響大，光電吊艙的隔振設計必須考慮系統的角振動問題，盡可能減小系統的角振動，角振動控制問題成為制約光電吊艙隔振設計發展的因素。為了能更好地抑制角振動，很有必要探討隔振系統角振動產生的原因，并對其進行有效的分析。

圖3 角振動分解原理 Fig.3 Schematic diagram of angular vibration decomposition

2 隔振系統的角振動分析

要分析被隔振設備的角振動，則需建立隔振系統的動力學模型，求解被隔振設備的運動方程。為了研究方便，假設光學設備僅承受平面內垂向y的振動激勵，以設備的質心為坐標原點o，于是光學設備的運動表現為質心沿坐標軸的平動y和設備繞z軸的轉動θz。建立光學設備平面內的兩自由度隔振模型，見圖4，設備的質量為m，設備繞z軸的轉動慣量為Jz，減振器1、2的垂向剛度為k1、k2，阻尼為c1、c2。依據牛頓運動定律，應用拉格朗日方程可以得到隔振系統簡化后的振動控制方程為：

令方程（2）中X1=mS2+(c1+c2)S+k1+k2，X2= (c2b-c1a)S+k2b-k1a，X3=JzS2+(c1a2+c2b2)S+k2b2-k1a2，X4=(c1+c2)S+k1+k2，于是垂向振動和俯仰振動的傳遞函數分別為：

從隔振系統的傳遞函數（3）可知，垂直y向與繞z軸的轉動相互耦合。即使只有垂向y的平動擾動，也會引起設備繞z軸轉動的俯仰角振動。如果能使得減振器的剛度和阻尼滿足關系：

圖4 隔振系統動力學模型 Fig.4 Dynamics model of vibration isolation system

方程（1）中 0y˙、y0分別為基礎垂向的速度和位移擾動，且忽略基礎的轉動角擾動。該系統垂向振動的固有頻率ω1和繞z軸的俯仰振動的固有頻率ω2分別為：

設方程（1）所有變量的初始條件為0，經拉普拉斯變換并整理后，可得傳遞函數方程為：

即1#、2#減振器的剛度比和阻尼比均等于重心到各自安裝支撐點的距離之比的倒數，于是可以使方程（1）解耦，消除垂向y的平動與繞z軸轉動之間的耦合振動。由此可知，設備的質心與隔振系統的剛度中心偏離，以及兩隔振器的剛度和阻尼不匹配是引起設備俯仰角振動的重要因素。

3 光電吊艙隔振設計

機載光電吊艙隔振安裝是通過在機體與吊艙之間安裝減振器，以降低機體振動向吊艙的傳遞，從而提高吊艙的成像效果。橡膠減振器具有安裝形式多樣、質量輕、減振效果好等優點。劉家燕等人[10]設計的橡膠減振器在機載光電吊艙上得到成功應用，其缺點是不耐腐蝕、剛度受溫度影響，因此應用范圍仍然受到限制。于是又展開鋼絲繩減振器、金屬摩擦減振器、金屬絲網減振器和金屬橡膠減振器等金屬減振器在光電設備上的應用研究，隔振系統的頻率可以設計到10～30 Hz，隔振效果優異，而且環境適應性較橡膠減振器強，因此成為光電吊艙減振設計的良好選擇。法國Hutchinson為EC135直升機的光電吊艙設計的隔振系統如圖5所示，固有頻率為10 Hz左右，隔振器為金屬絲網隔振器，采用平面內四點支撐的布局形式，由于結構布局簡單，因此在機載光電吊艙上得到廣泛的應用。當前國內的很多機載光電吊艙也采用這種安裝形式，包括洛陽的612所、613所、兵器205所等。

平面四點安裝的隔振系統的缺點也是比較明顯的，由于重心與剛度中心的偏離，帶來的角振動問題比較明顯，因此這種結構對于提高光電吊艙的成像質量有限。近年來學者們提出了光電吊艙的多種隔振安裝形式，包括無角振動隔振系統的設計方法等，并進行了理論與試驗的研究。

中國空間技術研究院的李創等人[11]依據平行四邊形原理，利用金屬絲網隔振器設計了一種無轉角的 隔振平臺，其樣機模型如圖6所示。該裝置可以有效隔離由光電吊艙載體引起的20 Hz以上的振動，采用雙平行四邊形結構設計，使隔振器只能沿x、y、z方向平動，而不產生轉角，從而消除了隔振器轉角位移對光電吊艙測角精度的影響，解決了隔振與精度之間的矛盾。該隔振裝置設計需要保證較高的裝配精度，并且可能發生卡死現象，降低隔振效果。

圖5 EC135直升機光電設備隔振圖 Fig.5 Photo of vibration isolation for EC135 helicopter’s photoelectric equipment

圖6 無轉角隔振平臺 Fig.6 Vibration isolation platform without angle

東北電子技術研究所的趙洪陽[12]利用鋼絲繩與高阻尼硅橡膠相組合的緩沖裝置和線位移裝置設計了一種三維減振系統，其結構如圖7所示。隔振緩沖裝置設計主要是兼顧隔振效率與緩（抗）沖效率對設備的影響，使設備在3個方向上實現有效的減振和緩沖效果。線位移裝置的設計原理仍然是利用平行四邊形對邊始終保持平行的原理來消除承載平臺的角振動，使設備在3個平動自由度上實現線振動。文中敘述了隔振系統能夠隔離掉30 Hz以上的振動，但未對角振動的抑制能力進行具體說明。

圖7 無角振動隔振平臺及線位移裝置 Fig.7 Vibration isolation platform without angle and line displacement device

軍械工程學院的白鴻柏[13-14]等人利用金屬橡膠設計無轉角的內、外隔振器，內隔振器只能提供沿x和y方向平動，而沿z軸平動、轉動，繞x和y軸轉動都被限制；外隔振器的中軸沿z軸向上運動時，上側金屬橡膠件受壓，并且中軸與上蓋和下蓋存在著圓周同時接觸滑移副的情況，這迫使中軸只能沿著z軸作平動，所有轉動自由度被限制。采用這種隔振器對二軸四框架光電平臺進行二級隔振設計，其模型如圖8所示。一級隔振是在基座與光電平臺間安裝外隔振器，共4個，對稱布置，外隔振器限制平臺外框架只能沿z軸運動。二級隔振是在內、外框架間安裝內隔振器，共8個。為降低耦合程度，將內隔振器相對內框架重心對稱布置，內隔振器限制平臺內框架只能沿x軸和y軸運動。這種隔振方案的優點是平臺只能沿3個軸向做平移運動，不能做角運動，實現了無角位移隔振設計，而且還可以實現三向等剛度。該隔振系統能夠隔離掉20 Hz以上的振動，最大角位移為5.5″。

圖8 內、外隔振器及二級隔振設計示意圖 Fig.8 Design diagram of internal and external vibration isolators and secondary vibration isolation

中國科學院光電技術研究所的姜偉偉等人[15]采用碗式橡膠減振器，在光電設備的8個角點分別布置減振器，減振器一端與光電設備的安裝點連接，另一端連接到飛機上，構成一種8點支撐隔振系統，其結構如圖9所示。這種隔振方案結構簡單易行，由于橡膠減振器可以設計達到三向等剛度，因而隔振系統也具有三向等剛度的特性，隔振系統的頻率可設計到30 Hz左右，目前這種隔振設計方式在航空613所的光電吊艙上得到應用。該隔振設計相對簡單，但是抑制角振動的能力有限，在不平衡力和偏轉力轉矩的作用下還是會產生角振動。

圖9 8頂點隔振設計方案示意圖 Fig.9 Schematic diagram of eight point vibration isolation system

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的楊劍鋒等人[16]設計了一種基于Stewart構型的隔振系統，用于空間相機的隔振平臺，如圖10所示。它主要由上、下安裝面，6個單向隔振桿及12個球形鉸鏈連接而成，單向隔振桿為液體阻尼器，也可以是其他單向隔振結構。平臺的優點是具有六自由度的振動隔離能力，油液阻尼器的頻率可以設計得很低，從而實現低頻隔振。其缺點是油液的密封性低，使用久了容易發生漏油污染。該平臺的平移運動和轉動運動難以解耦，很容易引起被隔振設備的俯仰或轉動等角振動，從而降低光電設備的成像質量。此外平臺附加質量較多，因此目前該平臺在飛機上應用得較少。

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的 杜言魯等人[17]通過對光電平臺隔振系統的振動耦合進行分析，得出減振器剛度、阻尼參數偏差以及減振器布局不合理會使得載機的線振動耦合為光電平臺的角振動，從而提出減小光電平臺隔振系統振動耦合的一些方法。一是根據光電平臺穩像系統的伺服帶寬，確定隔振系統的固有頻率，并設定線振動和角振動的固有頻率相等，線振動固有頻率用于確定減振器剛度，角振動固有頻率用于確定減振器間的安裝間距，根據視軸穩定系統主動補償的幅值范圍，確定隔振系統的阻尼比；二是隔振系統安裝過程中，要測量平臺重心位置，通過合理選擇和布局減振器，保證平臺質心位于安裝平面內，而且阻尼器選擇可調式阻尼器，以便調整隔振系統的阻尼系數，使得隔振系統各參數間盡量滿足無角振動時的量化關系，減小或避免振動耦合。

圖10 Stewart隔振平臺 Fig.10 Stewart vibration isolation platform

大連交通大學的董海波等人[18]采用層疊橡膠隔振器（圖11）作為機載光電吊艙的隔振器，并研究了這種隔振器的設計方法。這種隔振器的特點是軸向剛度大，側向剪切剛度小，在電子機柜和建筑橋梁隔振領域得到廣泛的應用，也可用于直升機螺旋槳根部的阻尼器，但是目前尚未見到該隔振器在機載光電吊艙上安裝應用。

圖11 層疊橡膠隔振器 Fig.11 Laminated rubber isolator

華中光電技術研究所的曾垂峰等人[19]研究了一種新型光電吊艙內框架的6自由度隔振系統，如圖12所示。實質就是在吊艙內框架兩側安裝類似Stewart平臺的隔振系統，見圖12中方框部分，隔振元件呈錐形布置，共安裝了16個隔振元件，能夠隔離6自由度方向20 Hz以上的振動。該結構的優點是可以衰減球頭艙三軸向的角振動，從而降低光學元件 的角振動，提高成像質量。缺點是附加隔振元件太多，增加了設備質量，需要增加更多的安裝空間，不便于裝配。

圖12 光電吊艙內框架隔振系統 Fig.12 Vibration isolation system of optoelectronic pod inner frame

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的孫輝等人[20]設計了機載光電吊艙的主被動一體隔振系統，如圖13所示。考慮光電吊艙內部的柔性連接結構，采用LOG算法設計控制器，通過對光電隔振系統的分析表明，該主被動一體隔振系統可以減小光電載荷柔性體內部的相對運動，即增大系統的內部阻尼，增加共振區的隔振效果，從而提高了光電吊艙的成像質量。主動控制系統可以實時監測吊艙的振動情況，根據反饋對吊艙的振動進行控制，隔振控制效果較被動控制好得多。但是主動控制設備需要提供能源，從而增加了系統的質量，不利于在飛機上使用。

圖13 光電吊艙主被動一體隔振系統 Fig.13 Active and passive integrated vibration isolation system for optoelectronic pod

4 結論

1）角振動較線振動對光電吊艙成像質量的影響大，光電吊艙隔振設計需重點考慮降低角振動問題。

2）光電設備的質心與隔振系統的剛度中心相偏離，以及各隔振器之間的剛度和阻尼不匹配，是引起設備角振動的重要因素，隔振系統設計時值得關注。

3）上述無角振動的隔振系統在一定程度上可以限制光電設備的角位移振動，從而提高成像質量，但是其尺寸龐大、質量較重，會給光電吊艙帶來很大的附加質量，并且存在卡死的可能，降低隔振系統的可靠性。

4）主-被動一體化隔振系統，增加的主動控制環節能夠大大提高減振效果，但是由于需要附加能源設備，增加了飛機的負載，因此當前很少在飛機上采用，但是主-被動一體化隔振系統仍具有發展潛力，畢竟能夠極大地提高光電吊艙的成像質量。

隨著成像距離的不斷增加，以及對成像質量的要求不斷提高，光電設備的設計還會面臨很多挑戰。精密光電設備的成像質量每前進一步，都代表著科技的一大進步，而振動是影響其成像的關鍵因素，精密光電吊艙的振動控制技術還有很長的路要走。