（光学工程专业论文）宽距离光束多轴一致性检测结构设计与分析.pdf

摘要 在宽距离多光谱光轴平行性检测系统中，存在着集中平行和离散平行。比如说坦 克的火控系统中，瞄准轴线( 即电视摄像机、红外热像仪、激光测距机等的瞄准轴线) 之间的相互平行性，以及与火炮身管内膛轴线之间的平行性。 对宽距离多轴平行性的检测，多使用大口径自准直平行光管进行校准，但这并不 是适用任何情况的，比如距离可变的多轴一致性检测。本文从此点出发，提出一种新 的检测方法，平行光管加扩径系统的组合。宽距离的离散光轴由特殊设计的扩径导引 臂引入准直系统测试，扩径系统的引入不仅使问题大大简化，还不失精度。 本文对宽距离光束多轴一致性检测系统的方案进行论证，找出最佳方案，并进行 结构设计和误差分析。 关键字：宽距离，多轴一致性，扩径系统 a b s t r a c t i i lt h et e s to fm u l t i s p e c t r a lw i d ed i s t a n c eo p t i c a la x i sp a r a l l e l i s ma n ds t r u c t u r e p a r a l l e l i s mf o rt h ea r t i l l e r yc o n t r o ls y s t e m ，c a l i b r a t i n gt h ec e n t r a la x i sp a r a l l e l i s ma n d d i s c r e t ea x i sp a r a l l e l i s mw i t ht h es a m es t a n d a r d si sap r o b l e m f o re x a m p l e ，i nt h ea r t i l l e r y c o n t r o ls y s t e m ，p a r a l l e l i s ma b o u ta i m i n ga x i s ( t e l e v i s i o nc a m e r a , t h e r m a li n f r a r e di m a g e r , l a s e rr a n g ef m d e ra n ds oo n ) f o re a c ho t h e r , a sw e l la sg u nb o r ea x i s m o s tu s e f u l l ym e t h o df o rc h e c k i n gm u l t i s p e c t r a lo p t i c a la x i sp a r a l l e l i s mi sl a 唱e a p e r t u r ea u t o c o l l i m a t o r , b u tt h i si s n o ts u i t a b l ef o ra n y t h i n g , s u c ha st h es y s t e mw h o s e d i s t a n c ei sa l t e r a b l e c o n s i d e r a t i n gt h i sp o i n t ，t h et e x tp r e s e n t san e wc h e c k i n gm e t h o d ，t h e i n s t a l l a t i o ni sc o m b i n e dw i t hc o l h m a t o ra n de x t e n dc a l i b e rs y s t e m t h ed i s c r e t ea x i sw h i c h a r ef a rf r o mt h ec e n t e ra r eg u i d e dt ot h ec o l l i m a t o rb yt h es p e c i a ld e s i g n e de x t e n da r m ，t h a t w i l ln o to n l ym a k et h ep r o b l e me a s i e r , b u ta l s oe n s u r et h ep r e c i s i o n t h et e x ti n t r o d u c et h eb e s tm e t h o df o rc h e c k i n gp a r a l l e l i s m ，s t r u c t u r ed e s i g na n d a n a l y s i so ft h e e r r o r k e y w o r d s ：w i d ed i s t a n c e ，m u l t i - s p e c t r a lo p t i c a la x i sp a r a l l e l i s m ，e x t e n dc a l i b e rs y s t e m 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，宽距离光束多轴一致性检测结构 设计与分析是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 月三生日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签 年月互乙同 年三月盖丑r 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的发展，光学仪器不管从外观还是性能上都大大提高，比如熟悉的 光通信系统、大型多轴光电经纬仪，火控指挥系统，这些仪器光谱覆盖范围广，从可 见波段到红外波段到激光，能够满足白天、夜晚、微光等不同环境下的使用要求。对 于这种多光谱、多轴系统，光轴的平行性成为一个重要的参数。 在宽距离多光谱检测系统中，存在着集中平行和离散平行。比如说坦克的火控系 统中，集中平行指的是瞄准轴线( 即电视摄像机、红外热像仪、激光测距机等的瞄准 轴线) 之间的相互平行性，离散平行指的是瞄准轴线与火炮身管内膛轴线之间的平行 性。对于前者，多采用大口径平行光管进行检测，此时，所有的被测系统的光轴以平 行光管的光轴为基准，进行调整。对于后者，因为光学仪器相互之间的距离较宽，若 采用平行光管进行检测，要求光管的口径特别大，能够将所有的光学仪器全部覆盖进 去，这就要求平行光管的主镜尺寸大，平行光管的制造成本增加，且与口径增大的三 次方乃至四次方成正比，同时，平行光管的结构装调工作也增加了难度1 1 1 1 1 。 现在，科技的发展使得制作大口径平行光管不再是难题，对于多光谱宽距离系统 平行性的检测提供了很大的便利，但是对于距离可变的多轴系统而言，大口径平行光 管这种检测方法从检测性能、安装以及便捷性上考虑，不适合。本文从这点出发，对 可变宽距离下的多轴平行性检测方法进行研究，提出解决方法，设计结构并进行精度 分析。 1 2 研究的目的及意义 在战场上，坦克所携火炮要想首发命中目标，必须对坦克进行零位校准，保证瞄 线( 即电视摄像机、红外热像仪、激光测距机等的瞄准轴线) 和火炮身管内膛轴线的 平行性。平行性检测设备一般采用多波段大口径平行光管或光学准直镜装置作为检测 设备，但是随着科技的发展，人们越来越重视社会经济效益，在保证成本的基础上实 现功能优化；作为实验室检测用设备，大口径平行光管体积大，重量大，使用起来不 方便；作为军用产品，更是要求性能好，便携，装配上方便。比如现有一坦克，火炮 轴线至瞄线距离为1 2 0 0 m m ，若制作口径d ；1 2 0 0 m m 的大1 3 径平行光管，加工成本高、 体积大、重量大，安装调试难。故现采用小口径平行光管，再使用扩径系统，将平行 光管发出的光引至炮口的火炮轴线获取装置，使得宽距离多轴平行性的检测得以实现。 采用小口径平行光管，利用扩径系统检测平行性的方法，保障了社会经济效益， 大大降低了成本，在提高了使用性能的基础上，还装调方便。宽距离多轴平行性检测 装置的研究，对今后多轴平行性检测水平的进一步提高，提供了一定的指导作用。 1 3 多轴一致，陛检测方法的发展 上世纪九十年代中期，开发了“四合一 侦察镜，这个“四合一侦察镜具有白 光观瞄、激光测距、c c d 摄像、红外夜视的光学电子侦察系统，为了检验和校正侦察 镜四个分系统光轴的平行性，开发研制了大口径多波段四轴平行度检校仪，它由大口 径平行光管物镜、二维测微分划装置和“四合一侦察镜回转支座组成。它的特点是 采用反射式物镜，可以作为从紫外、可见光到红外辐射的各种不同波段观瞄器材的目 标。同时，球面反射镜代替离轴抛物面反射镜，全口径光线平行度在2 0 角秒以内，若 使分划靶稍微离焦，全口径光线平行度在1 0 角秒以内。此方法与传统的检验方法类似， 检测设备庞大，灵活性差，不适合外场检测【6 】。 本世纪初，基于激光测距的基本原理及激光能量分组情况，利用测距的方法进行 对角度的测量，实现了多光轴系统平行度的测试，并对该方法精度进行了分析。该方 法是将带有十字分划板的方形靶板悬空，使望远镜的十字分划板对准靶板的十字分划 线，并进行测距，然后使瞄准逐渐向左偏移，并继续测距，直到刚好测不到目标为止， 此时测距有时有回波，有时无回波，记录下瞄准轴偏离中心距离，再用同样的方法向 右偏移，记录下偏移距离，再通过计算将测角转换为测距，在不影响全系统装配精度 的前提下，实现了对复合光学系统光轴平行度的检测。此方法是通过反复的测量和计 算来达到光轴平行度检测的目的，测试误差为s0 0 6 4 8 。 接着，有人分析了具有红外、电视和激光的光电仪器进行多光谱多光轴自动校准 的方法。指出在武器系统的设计中，如果条件允许，可借助专用的外部校准装置，如 在光电仪器的后方设置一个校准棱镜箱( 或折返式自准凹面镜组件) ，以便在控制电路 中加入电十字线跟踪产生器等功能单元，使武器系统实现行进间或飞行中自动校准【2 1 。 第一种方案：用宽光谱准直发光管发出基准光，透过双波段玻璃( 可透射可见光 和红外光) 进入屋脊棱镜箱，再分别折返到电视和热像仪的视场。如图1 所示。 2 图1 屋脊棱镜箱 准直光管发射的宽波段光束，经过多波段透射保护窗口，由分光镜分成可见光和 红外两路光线，然后经屋脊棱镜平行反射，使可见光窗口和红外窗口出射的光线与准 直光管平行。该系统有三个窗口：1 ) 双波段窗口。透射两个波段，用硒化锌或硫化锌 制作，可镀双波段增透膜。2 ) 红外窗口。透射8 1 2 朋波段的光，用b k 7 玻璃制作， 镀增透膜。 这种方案的缺点就是宽波段透射玻璃成本很高，需要单独设计准直管。要将准直 管和激光轴调平行，就可能引进误差。 第二种方案：利用反射式平行光管。如图2 所示。 图2 激光、红外、可见三轴平行性检测 此种方案，直接以激光轴为基准，使电视、热像仪光轴与之平行，其可靠性将更 3 好。 使用专用外部校准装置，其调校过程操作简单、快捷，是多光谱多光轴自动校准 的有效途经。其特点是使用电十字分划线，即用十字跟踪产生器，解算出像点中心坐 标，并以此为中心生成电十字线，使激光、电视和红外的光轴互相平行。 2 0 0 5 年，出现一种激光、白光和热像仪( 或微光) 三光合一观测仪器的捆绑式新 型组合测试装置。该装置采用离轴抛物面反射镜来校准各光轴。如图3 所示【5 】o 图3 离轴抛物面反射镜检测 2 0 0 7 年9 月，出现了用于室内检测多波段光电设备光轴一致性的测试系统。该系 统采用准直平行光管为测试系统提供无穷远目标。为满足全波段测试，光束无中心遮 拦，系统选用离轴抛物面全反射光学系统。采用多光谱分光镜为激光光斑提供瞄准基 准，带温控热十字丝的高斯目镜为红外和可见光波段提供瞄准基准，实现了光电设备 之间可见与红外、可见与激光、激光与红外光轴的一致性测试。具有测试精度高、测 试结果可靠等特点。 为了提高炮弹首发命中率，改进校准和校正能力，莱卡公司设计了多种精密炮口 校正装置对瞄准光学装置，如对白昼瞄准镜、热像瞄准镜、夜视瞄准镜或激光、炮口 炮膛的中心作精确校正。 国外对车载多光轴平行性的调节，多采用自动校准设备，即采用光轴不失调系统 ( 系统只有一个物镜，所以系统自身只有一个光轴) ，使可见光瞄准镜与红外测角仪小 视场光轴自动准直。法国霍特导弹使用v i v i a n e 稳瞄具内也装有一套光轴校准系统， 可将瞄准镜、测角仪、热像仪和激光测距机的光轴进行自动校准。再如，在阿帕奇直 升机的稳瞄具内，装有激光指示器与瞄准具的光轴自动校准设备 7 1 。 1 4 系统主要技术参数 1 ) 、检测系统多轴平行度误差的检测精度要求： 4 激光轴的平行差的检测精度s0 3 m r a d 电视摄像机、红外热像仪、激光接收轴的检测精度其它光轴平行差s0 1 m r a d 2 ) 、平行光管或准直器有效口径为妒, 3 0 0 m m ，借光学扩径组最大可扩径至1 2 0 0 m m ， 并可调整扩径大小与沿光管轴线转动角位置。 3 ) 、焦平面组件的光源参数要求： 光源的发射光谱：双波段0 4 1 o o n ，8 1 2 5 k a n ，1 0 6 , u r n ，1 5 4 1 u n 1 5 本文的主要内容 本文主要对宽距离光束多轴一致性检测设备进行研究，设计方案论证，进行结构 设计和误差分析，并简单介绍了装置的检测方法。 5 第二章宽距离光束多轴一致性检测系统方案论证 2 1 多轴一致性检测系统选型 宽距离光束多轴平行性检测设备中，要求同时使用不同波段的光源，既有白光， 又有激光，此外还有微光和夜视仪器，光谱测试范围从可见光一直延伸到中红外波段。 多光谱多轴光学平行性检测系统，一般采用大口径平行光管。对于集中平行性的 检测，各光学系统组合后放在平行光管前，如图4 ( a ) 所示。若平行光管的分划板中 心均成像在各光学系统接收器件的中心，则它们的光轴是平行的。对于离散平行性的 检测，采用大口径平行光管能够解决问题，但是存在以下缺点：1 ) 、对于实际测量， 被测平行光束之间的距离很宽，但通光孔径不大，使用大孑l 径平行光管进行检测不合 理2 ) 、当被测平行光束相对孔径较大时，大孔径平行光管又无法实现这种测试要求： 3 ) 、自准直平行光管的口径必须大于被检测的平行光束的距离，这就造成平行光管的 口径随被检光束距离而变化，这使得平行光管的制造成本增加，且与口径增大的三次 方乃至四次方成正比。当增大到5 0 0 m m 左右时，成本非常昂贵，制造过程复杂，且周 期长； 所以考虑用几个平行光管进行组合，分别测量，如图( b ) ( c ) 所示，光管的数量 根据被测光轴的个数决定。图( b ) 是几个小口径平行光管组合的示意图，平行光管根 据被测光学仪器的位置摆放，每个光管对准一个被测仪器。图( c ) 是一个大口径平行 光管与几个小口径平行光管之间的组合示意图，其原理与图( b ) 的方法一样，但是大 口径平行光管可以同时检测几个光轴的平行性，这要根据不同的测量要求进行调整。 图4 平行光管检测组合示意图 对于这种组合式平行光管的测量方法，虽然能够检测，但是存在一定的问题，比 如，在测量前，要求先调整好几个平行光管之间的平行性，因为，测量过程中，被测 光轴都是以平行光管的光轴为基准的，若是它们相互之间的光轴平行性就不好，会严 6 重影响测量精度。再者，组合式平行光管测量方法，结构的固定复杂，装调不当会引 起误差，导致测量精度低。 故提出用一个平行光管加扩径系统的结构来检测多轴平行性的方案。如图5 所示。 图5 平行光管加扩径系统示意图 图中1 是平行光管，2 是扩径结构。平行光管口径的大小可以根据集中平行的光学 器件的多少以及相互之间的距离决定。扩径系统放置在平行光管前面，为了不减少平 行光管出射的平行光，影响集中平行性的检测，可以只利用光管的近边缘处的平行光， 所以这就要求平行光管的边缘像质要好。扩径系统可以根据被测要求，设计成可以绕 平行光管旋转。 从使用性能、装调便捷性以及精度等方面考虑，这种方法最佳。 2 1 1 平行光管方案论证 对多光谱系统而言，能同时透过白光、激光、红外光的光学材料很少，选材难， 且光谱特性不一定好，而且系统要求消色差，故选择反射式平行光管，一般有以下几 种方案。 1 、卡塞格林式 图6 卡塞格林系统不慈图 ( 1 、主镜2 、次镜3 、焦平面) 卡塞格林系统包括抛物凹面主镜和双曲凸面次镜。其优点为应用折叠式结构非常 紧凑，筒长可以缩短为焦距的1 3 。 但其缺点是视场角小，一般2 0 左右；系统杂散光大；有中心遮拦：对于主镜与次 7 镜之间的距离要求非常严格；而且双曲凸面和高精度抛物凹面加工困难，成本大。 2 、牛顿式 所谓牛顿式系统，是指在系统中只存在一个非球面光学件。它又可以分为离轴牛 顿式系统和共轴形牛顿系统。 1 ) 离轴式牛顿系统 其光路图如下所示。被照明的分划板射出的光束经离轴抛物面反射镜反射后变为 平行光。 图7 离轴式牛顿系统示意图 ( 1 、分划板2 、离轴抛物面反射镜) 采用离轴光学系统的缺点是虽然抛物面球差很小，但仍存在慧差，特别是离轴抛 物面。此外由于采用的是抛物面的一部分，加工时需将此部分镶嵌在整块玻璃上加工， 加工的玻璃口径远大于实际有用部分。故离轴抛物面反射镜加工困难，成本高。同时 它的装校也很困难。 2 ) 共轴式牛顿系统 为克服离轴抛物面加工、装校产生的困难，可采用共轴抛物面反射镜，其光路如 图所示。 ? 津三 图8 共轴式牛顿系统示意图 ( 1 、分划板2 、抛物面反射镜3 、平面反射镜) 采用这种结构，因为只有一个非球面，加工成本低，加工也不困难；但是其缺点 是产生中心遮拦，但是这可以通过结构来调整。 综合以上考虑，平行光管最终选用共轴牛顿式系统。 8 2 1 2 内置多光谱分光方式论证 对这个检测系统而言，涉及多个波段，有可见、红外以及激光，合理安排、分配 光路能够使系统发挥最优的性能。 被测系统的光源可以分为两太类，主动测试光即激光测距机发出的激光，被动测 试光即可见光、红外光源、以及激光测距机接收的光。从光源的测试特性出发，可以 考虑将光路分为三路，即可见和红外为主的被测光，激光测距机发出的激光，激光测 距机接收的光；从系统的全面性出发，应该分为四路，即可见光、红外、激光发射以 及激光接收；若再考虑两种波长的激光测距机接收部分也需要两种探剁器，那么系统 整体就需要六路分光。不管选用哪种光路分配方式，最终都可以完成，但是分光光路 越多，光学件膜系的加工也就越来越复杂 和精度要求出发，选择三路分光最为合适 1 ) 、可见红外光源 成本也会增加，同时，从平行光管的结构 即可见红外光源、激光光源、激光接收。 溴钨灯是可见一近红外波段的理想光源，可对物质进行吸收光谱和荧光光谱分析。 溴钨灯采用演化氢工艺，具有发光效率高，使用寿命长，显色性好的特点。溴钨灯作 为光源可即亮即灭。其光谱特性如图8 所示。 粤翌鼍鼍舅尸臻”_ _ 荆8 1 “。 暑曙! ! ! ，曼曼! 竺! o _ 一一 a 一一 = ! 一 t 图9 溴钨灯的光谱特性( 左侧为红外光谱，右侧为可见光谱) 2 ) 、激光发射光 激光发射光是指激光测距机发出的激光。为了探测目标的距离，激光测距机发出 激光，打中物体，根据反射回来的能量，得出激光脉冲来回的时问，从而算出激光测 距机到目标的距离。 激光作为一种高质量的光源其方向性好、相干性好、单色性好、能量集中。但 是剧为激光测距机离检测设备有一定的距离，为了更好的利用激光的能量，减小外部 干扰，系统中，利用自聚焦透镜光纤耦合的方式，将激光测距机发出的光，引入平 行光管，并在光纤端面的前方设有小孔光阑，这样经过平行光管出射的光束方向只与 d , l l 在焦面上的位置有关，与光纤的角度无关。采用电控装置在平行光管焦面r 移动 光纤端面和小孔光阑，移动范围应大干调整后光管和删距机接收轴偏差加上接收全视 9 场的大小。精密微移动光纤端面和小孔光阑从测距机一边视场到另一边视场，距离的 中心位置即为激光测距机接收光轴位置。对于不同波长的激光测距机( 1 0 6 z , n 和 1 5 4 9 m ) ，平行光管的激光发射光源都与测距机的接收探测器匹配，否则激光测距机无 法识别。 3 ) 、激光接收光 对于激光接收这一路光，因为平行光管中使用的c c d ，敏感波长探测不到1 0 6 p r o 或者1 5 4 a n 波段，所以可利用红外上转换器件，将激光在室温下转换成红光( 峰值波 长6 7 2 n m ) ，c c d 的光敏面置于红外探测转换器件后，接收转换后透射的红光，并经 视频采集卡在计算机中显示出来。 4 ) 、三路光轴平行性检测 可见红外波段光轴平行性检测：溴钨灯8 发出可见红外光，经过z 。s 镜4 ，传 给二次反射镜3 ，再到平面反射镜2 ，最后经抛物镜1 平行出射，以供电视摄像机、红 外热像仪接收，并分别在电视摄像机的c c d 上和热像仪的像面上形成星点像，通过调 整反射镜3 和4 ，使得c c d 上和热像仪像面上的星点像位于中心，即保证了电视摄像 机和红外热像仪的光轴平行性。 激光发射光轴的检测：激光测距机发出激光光源，透过入口6 进入系统，经过分 光棱镜5 ，传到z 。s 镜4 ，被它反射到3 镜，最后由抛物面主镜1 出射平行光束，被激 光测距机接收。 激光接收光轴的检测：激光测距机发出的激光，经过平行光管后，在分光棱镜5 反射进入接收系统7 ，利用c c d 成像，这个光斑的中心与接收系统7 中的红外上转换 片的中心的距离即为激光测距机的接收光轴平行偏差。 2 图1 0 平行光管光学结构示意图 1 0 ( 1 、抛物面主镜2 、平面反射镜次镜3 、二次反射镜4 、z n s 镜5 、分光棱镜6 、激光光 源入口7 、激光接收系统8 、溴钨灯) 检测时，首先要对平行光管进行调校，将平行光管的星点像调至c c d 像面的中心， 然后才能对各光学系统光轴进行检测。我们以视场最小的光学系统( 如电视摄像机) 的光轴为基准，以它来测量其它光轴。 2 1 3 扩径方式论证 ( 一) 、扩径方式 对于宽距离光束的多轴平行性检测，使用大口径平行光管存在一定的缺陷，为解 决现有的不足，使用了扩径系统，通过移动扩径镜组，将口径扩大，这就大大降低成 本，而且减小了平行光管的体积。 ( a ) ( c ) ( d ) 1 1 ( e ) 图1 1 扩径方式 对于图( a ) ，可以称为直摆式，即将测量仪器( 平行光管) 直接摆在被测元件前 面，每个平行光管对准一个被测光束。中间的大圆代表的是主平行光管，主要用来测 量可见光，周围的小圆代表小平行光管，分别用来测量红外光、激光等( 视被测元件 个数而定，可以添加或减少小平行光管) 。这种方式的优点是，系统不存在分光的问题， 这就减少了系统的复杂性；同时，平行光管之间不存在结构固定的问题，只要位置摆 正，对准被测光束即可。但是这种方式存在一个很大的缺点，在进行检测时，必须对 这几个平行光管进行本身的光轴平行性校准，但是被测光谱之间的距离相当远时，平 行光管之间的距离也就相对拉的比较开，这就增大了校准的难度。 对于图( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 来说，它们拥有一个共同的特点，就是使用光学元件组 成一个扩径系统，将主平行光管发出的光束折转，使得光以一定的偏移量出射。这就 是横拉式。不同的是分别采用了不同的光学元件进行扩径。 对于图( b ) ，使用的是斜方棱镜，其缺点是口径要扩大很大时，若加工那么长的 斜方棱镜，不易加工，而且成本极高。 对于图( c ) ，采用平面反射镜。单个平面反射镜能够将光进行反射，并且光谱特 性好，但是不能将入射光和出射光拉开一定的距离，所以必须使用两个平面反射镜。 下面利用动态光学，对由平面反射镜组成的扩径镜组进行分析1 3 3 - 3 4 1 。图中，( x 、y 、 z ) 表示的是物方坐标系，( 石、y 、z ) 是经过第一个反射镜的像坐标系，( 工”、y ”、 z ”) 是经过第二个反射镜的像坐标系，( 毛、y ，、z ，) 是第一个反射镜自身坐标系，( z ，、 y ，、z ，) 是第二个反射镜自身坐标系。 1 2 图1 2 反射镜坐标设置 由图可知被反射面i ，i i 的作用矩阵为： r = r = c o s 9s i n f l 0 s i n - c o s f l 0 001 o一1 1o o0 c o s 9 0 0s i n 9 0 0o s i n 9 0 0 c o s 9 0 00 0 o 1 各面的象坐标系与该面的面坐标系的转换矩阵为： g 1 ； c o s 4 5s i n 4 50 s i n 4 5 一c o s 4 50 0o1 p 1 。j 一压压0 压压0 o01 1 2 压压0 压一压0 o01 o1 10 00 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 鲋。【乜，( g 1 只q 1 一足g 1 只q 1 耳1 ) + 口：( g 2 罡何1 一心g 2 罡呸1 碍1 ) m ( 2 3 ) 口，置、口：最、口。只表示为个面坐标系中的量，则： 幽【a - ( g ，z g f l 一尺，g ，只g f l 尺1 二) + 口：( g 2 p ：g ；1 一r ：g z 最g 趣1 ) ( 2 - 4 ) + 口3 ( g 3 只g f l 一r 3 g 3 p 3 g ；1 尺，) 将上式写为矢量叉积形式( 注意矩阵行列式值或坐标手系关系) z k , 1 = a a 口1 ( e + r x ) g 1 只+ a 2 ( + 尺2 ) g 2 忍一a 3 ( e + r 3 ) g 3 只 ( 2 5 ) 式中： 百、巧分别为反射面i ，i i 的偏转轴矢量，得： 。一a 1 ， l x ， i y 玫 压00 压oo o01 兄1 时 一厄h 一压：， 一届u + 压：， 一2 + 2 a 2 z 一压 压 o 0o o o o1 t 一届。兄一厄：气 一届，号，+ 厄：罡， 一勉1 吃+ 2 a 2 昱： ( 2 6 ) 上式表明了，这个共有2 面反射镜的系统的误差分析情况及误差调整修正关系。 式中：口h 一口l 吃、口厶一口2 气、口。：ta ，吃、口缸一口2 昱：表示相应反射面绕其面形坐 标轴的转角。：、肛：、：表示像偏转矢量绕其坐标轴的旋转量。 可见必须保证单个反射镜在x 、y 、z 三个方向的偏差分别与另一个反射镜的三个 方向偏差绝对值相等才能保证出入射的像不发生倾斜和偏转，但是这在结构上来说， 是不容易实现的，而且对于两个反射镜的装调也是难的。 五棱镜具有一个特性，就是绕其特征方向旋转，不产生像倾斜。我们将两个平面 反射镜中的一个换成五棱镜，如图( d ) 所示，就减少了五棱镜在z 轴方向上的安装误 差的影响。但同时也产生一个新的问题，反射次数为奇次，产生镜像。 所以将另一个平面反射镜也换成五棱镜，采用两个五棱镜构成扩径系统，如图( e ) 所示。从整体上来说，减少了一个方向( 以z 为例) 上的固定，只需要考虑两个五棱 镜在另外两个方向上的情况( x 、y 方向) 。且反射次数为偶次，物象相同t 9 - 1 0 1 。 经过分析比较，选择最后一种方式( e ) ，使用两个五棱镜组成扩径镜组。 ( 二) 、臂的选择 经过上面的分析，选用了扩径方式( e ) ，以五棱镜作为扩径镜组的臂，基于结构 精度的匹配、系统自校正特性等的因素，有以下几种方案。 1 ) 、光学外校准式 这种方式结构简单，成本不高，且可去除基准器：但是这种结构必须另做调试支 架测试系统，每次使用都需调试后才能安装于主系统中。结构如下图所示： 1 4 i a i 厂 i lr 一箩l 8 l 一l i l b 图1 3 光学外校准式结构示意图 2 ) 、光学内校准式 此种方式在长时间不使用或者调整光束a 和b 的间隔时，才需要重新校正一次， 它不需要另做调试支架测试系统，本身就能够实现光束a 、b 平行性的校准，且容易实 现，结构也不复杂。结构形式如下： 图1 4 光学内校准式结构示意图 ( 1 、五棱镜2 、光楔3 、复合五棱镜组4 、位移调整座5 、水银盒) 系统自校时，将其水平安放，水泡居中，精度8 + 即可，然后前置准直平行光管放 于a 处，观察来自两个水银盒的双自准像之间的差值，即为静态精度，如果不满足要 求，调整光楔2 和复合五角棱镜组的a a p ，或a a p ：姿态即可。 这两种臂各有特点，基于成本的考虑，这里选用外校准式结构。 2 2 炮膛轴线获取装置 2 2 1 主要技术指标及要求 1 ) 、重量：不大于5 堙 2 ) 、长度：不大于加 3 ) 、放大倍率：不低于8 。 4 ) 、垂直视场：乏1 2 0 5 ) 、水平视场：1 7 0 1 5 6 ) 、机械轴与光学轴同轴度量5 ” 7 ) 、重复安装精度：s 5 。 2 2 2 工作原理 图1 5 炮口轴线获取装置光学系统图 ( 1 、双胶合2 、弯月厚透镜3 、分光棱镜4 、分划板5 、目镜组) 炮口轴线获取装置由四部分组成，我们以分光棱镜3 为分界线，在它左侧的是物 镜系统；右侧为机械用炮口轴线获取系统；在它上侧的是目镜系统；下侧为c c d 接收 系统。此系统的特点是在分光棱镜3 的右端面镀有反射膜，经过物镜的光分为两路， 一路由分光棱镜反射进入目镜，一路透过分光棱镜被镀有反射膜的面反射回来，由c c d 接收系统接收，因为反射次数为偶次，物象关系一致，c c d 像面上是正像。反射次数 的不一样导致了两光路之间存在一个光程差，像面必须前移，所以目镜的分划板与c c d 接收系统相对分光棱镜的距离不一样。 将机械用炮口轴线获取装置插入炮口，光从物镜系统进入，从目镜上可以人眼观 察分划板的像，是否与本身重合从而判断炮膛轴线与瞄线的平行度。 2 3 系统组成 经过上述的分析，确定了宽距离光束多轴一致性检测系统的系统结构，它不仅包 括光学观瞄镜、电视摄像机、红外热像仪、激光测距机等的瞄准轴线的致性，还有 火炮炮膛轴线与这些瞄准线之间的一致性，其原理图如图1 6 所示。 1 6 图1 6 采用小口径平行光管测试原理图 1 7 第三章宽距离光束多轴一致性检测系统的结构设计 3 1 系统结构部分 多轴一致性检测系统中的多光谱平行光管，经过上一章的讨论，选定牛顿式结构， 因为被检测系统为多个，有电视摄像机、红外热像仪、激光测距机等，所咀利用扩径 系统，将平行光管出射的光引导入炮膛轴线获取装置中，这就是光管的基本结构。 光管的设计参数：抛物面反射镜d 一3 0 0 r a m ，半径p - 一5 6 0 0 r a m ，1 2 8 0 0 m m 中心孔口径3 3 r a m ，平面反射镜大小为8 4 x 6 0 x 5 r a m ，主次反射镜之间的距离为 2 4 0 0 m m 。 对于长焦距的平行光管的制作，小l 刊于短焦距的平行光管，其光学元件的支撵方 式、环境因素( 如：温度、振动、气流抖动等) 都将对光管的成像质量产生很大影响， 必须在研制中采取一些特殊措施，以满足精度要求。 平行光管，一般多用圆筒形( 如图1 7 所示) 。但是对于口径为3 0 0 m m 、焦距为 2 8 0 0 m m 的平行光管，整个体积比较庞大，如果加工成圆筒形，工艺上比较复杂，分成 几段加工，就段与段之间的连接问题也比较难。所以这里做成另外一种形式，方形， 其结构形式如图1 8 所示。 ： 4 1 1 1 1 曩 。棚 图】7 圆形平行光管 弋p 图1 8 平行光管壳体结构示意图 平行光管的组成结构有：主镜翼1 、主体2 、底座3 、光阑4 、分光结构5 、头部6 、 光源7 。 平行光管的主镜翼1 和主体2 通过十个螺钉连接，头部6 固定在主体2 上，分光 结构5 固定在头部6 上，整体固定在底座3 上，方便平行光管的移动。 平行光管的主反射镜固定在主镜翼上，次镜安装在主体上在两个反射镜的作用 以及本身材料的重力作用下，容易发生弯曲变形。在下面安装一个底座，可以减小弯 曲量。 3 1 1 反射镜的固定 反射镜的安装首先要考虑支撑方式对面形的影响。安装过程中，由重力引起的安 装应力是无法避免的，因此设计安装结构时主要考虑如何减小应力对面形的影响，避 免结构变形等各种因素引起的附加力传递到反射镜上。依照反射镜的质量, n 2 寸大小， 选用的典型支撑方式和结构有：背部支撑，中心支撑、侧面支撑等。对于垂直放置的 镜子，这里主要考虑中心支撑和侧面支撑两种方式，而侧面支撑又可以有多点支撑的 结构，这里主要选用两点式、三点式、以及半圆式1 1 4 - 1 9 1 0 1 ) 、主反射镜支撑方式的选择 主镜的口径为3 0 0 m m ，边缘厚度5 0 r a m ，中心孔直径3 3 r a m ，反射面为抛物面，半 径p = 一5 6 0 0 r a m ，背部形状为平背形。主镜的材料为k 9 玻璃其性能参数见表1 。 表1 主镜材料的性能参数 密度弹性模量泊松比比雕变 ( 1 0 6k g m m3 )( n m m2 ) ( 1 0 4 n m g ) 玻璃k 9 25 38 1 3 202 532 1 4 下图为主镜工作时的初始姿态 图1 9 主镜工作时的初始姿态 支撑方式的选择既要满足变形最小，又要工艺简单、操作方便。下面分别对镜子 在中心支撑、三点式、两点式、半圆式支撑下的镜子做有限元分析，选出变形董最小 的，结构最优的支撑方式。 a ) 中心克挥式b ) 三点约束式 c ) 两点约束式( d ) 半圆约束式 图2 0 各种支樟方式下的镜面变形图 表2 不同支撑方式下的镜面最大变形量 支撑方式i 中心支撑式i 三点约束式l 两点约束式半圆约束式 翟r 量均m s ( 方根n m i 1 。5 51 。7 227 1 值 通过分析比较，我们发现半圆约束式变形量是最小的，其次是中心支撑式。按理 应该选用半圆约束式，比如吊带式结构( 参见图2 i ) ，但是这种支撑方式反射镜受力不 均，这是因为吊带与反射镜之间为圆弧接触，吊带对反射镜径向的作用力大小按正弦 规律分布( 以接触面中心为对称轴) ，在最低点处最大，在两侧切点处为零。 对于这个检测系统，采用的是共轴形的牛顿式系统，系统中心存在遮拦，所以精 子的边缘质量相对于中心部分，对系统的贡献更为重要；而对于半圆式支撑方式来说， 镜子的边缘变形量最大，所以不适合此系统，反而中心支撑方式更为合适。 图2 1 吊带式结构示意图 图2 2 中心支撑式结构 光学表面发生面形变化，将会引起光学系统的同心度变化以及波前畸变，从而影 响光学系统的特性，镜面的变形实质上等同于加工或检测时镜面上存在畸变。对于中 心支撑，镜面变形位移量为15 5 n m 那么这个变形量对于系统的像质会有多大的影响， 这里利用z e r n i k e 多项式，对变形的镜面进行拟合，并放入z e m a x 中从而算出变形后 的系统像质量。 一一一 | 广 图2 3 系统光路图 所谓对主反射镜的分析，其实主要是对它的抛物面进行分析。 首先，利用有限元软件a n s y s ，进行对主反射镜的建模，并对其进行有限兀划分， 得出主镜抛物面有限元模型的节点坐标； 其扶，对主反射镜按照中心固定的方式，施加约束求出变形后的抛物，得出镜 面在沿轴方向的变化量： 第三，将变化前镜面的节点坐标和变化后的变化量分别输入程序，得出经过z e r n i k e 多项式拟合后的系数； 第四，将所得的系数，在z e m a x 中输入，查看结果； 忿翠 ，一一一 ) 图2 4z e r n i k e 拟台参数衰 w ；一一 r 瓞 i ；。瓞；毒b 5 1 ； 卜 “一二：盟b 女一4 一_ 犍一m 一p - _ d e 图2 5m f f 参数国( 左边是原始图，右边为拟台后图) 1 l 一 ：!搴 4 1誊 露需 墓群麓& 飞，目 b 一 g 蕊：_ g i5 t $ b 目； 图2 6 点列图( 左边是原始图，右边为拟台后图) 雾鬟鬻眇 w w w “ 一 黼赫! w 图2 7 被相差图( 左边是原始图，右边为拟合后图 。4i。；i +l 弗叫_ 对 q罗忙扣舛扣 li i 厂i - ”f 爿 、l-i-iili， o 0 1 1 0 0 0 o o 、，i_， 、-、，、， z z z x y z 咄吣啦 、一、j、， 工 石 x 0 0 ，fj-。_-_。_-l_-一一 毒 、lii-i-i、 o o 1 o o 0 0 1 0 ，j-_-_-_-t_一一 0 0 之 工 y z p p p 巴0 p ： i l a p 。、px。口(；：三二： c 4 - 1 3 ， ：l a 三三 + c 一9 2 4 a ( 三至 口( 。， c 4 - 1 4 ) 轴旋转口角度，经过第二个五棱镜后的光轴同步偏转印，；绕y 轴的偏转时，出射 光轴同步偏转( 一1 ) “a a p ，。 4 1 2 扩径臂精度分析 扩径臂的误差分为两种，静态误差和动态误差。 1 ) 、扩径导引臂静态误差：静态是指固定温度( 2 0 0 c ) 固定系统固定于某一初始 状态，通常称为零位时，导引臂的输入轴和输出轴平行误差。 ( a ) 、初始状态定义为如下状态：扩径臂位于水平方向上的状态。 图4 1 扩径臂初始状态光路图 在该状态下，0 轴与1 轴的平行性误差，主要由如下几方面造成：( 1 ) 、五棱镜光 轴面内引起的光轴0 与光轴1 不平行度，由加工误差产生，与其安装精度( 绕z 轴的角 位置) 无关，故只需要用转动光楔即可得到补偿。 ( b ) 、离散平行性检测时，根据被测元件之间的距离五棱镜之间的距离可变，所 以重新固定五棱镜的位置，其置位精度对光轴o 与光轴1 造成绕x 轴的转角误差；五 棱镜置位存在绕x 轴的偏轴误差时，光轴1 会同步偏转a a p 。；置位存在绕y 轴的偏转 误差时，光轴1 会同步偏转( 一1 ) “a a p ， 置位调整过程中，通过校正系统( 自准直望远镜) 将a a p ，与a a p ，的影响调整到 3 7 较小值，再用光楔调到最小，则余下的最后误差为系统的残余物差。 2 ) 、扩径导引臂的动态误差：动态包括温度和姿态。 温度会造成导引臂的变形，进而造成光学系统光轴漂移。由静态分析得知，能够 引起光轴转动的因素主要是五棱镜绕y 轴和绕x 轴的转动。由于臂中间设计成x 轴的 轴对称形式，这就使叩，温度滑移消除，系统整体关于y z 轴所组成的面对称，印， 的温度漂移被消除，而绕z 轴的叩：对偶次反射不造成精度影响，故可不考虑温度的 影响。 姿态的影响：扩径臂受到重力的影响，长时间后会发生弯曲变形，同时扩径臂摆 放姿态不同，对于弯曲变形的影响程度也不一样。 从材料力学方面考虑，对于扩径臂，边缘固定，可以将其当做悬臂梁来考虑。 当臂只受重力影响时，在b 处梁的最大弯曲变形为： f 嗽= q l | 姆劭、 吒，一q 1 3 ( 6 e 3 ) i l il l l li li il ll l 弘一弋j l ，j 图4 2 悬臂梁受重力影响弯曲变形示意图 当在外力p 作用下，在b 处的最大弯曲变形为： f 一| p 1 3 心口、 吼一一t ) l2 ( 2 e j ) p 1 彳 一一、忑0 醪 n 。 ，i ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) ( 4 - 1 7 ) ( 4 1 8 ) 图4 3 悬臂梁在外力p 作用下弯曲变形图 式中的f _ j 称为梁的抗弯刚度，梁的变形与其成反比，e j 愈大，抵抗弯曲变形的能 力愈大，则变形越小。在弹性范围内，梁的挠度与转角是和载荷成正比。因此，可用 叠加法来处理梁同时受几种载荷作用的情况；先分别计算每种载荷单独作用下梁的变 形，然后把它们叠加起来，最后得到几种载荷作用下梁的变形。所以悬臂梁受作用力p 3 8 作用又要考虑粱的自重时，则b 端的挠度为 - p l3 ( 3 e j ) + q l4 ( s e j )( 4 1 9 ) 因为扩径臂上的五棱镜的重量以及其固定底座的总质量远远小于扩径臂的自身重 量，所以这里可以忽略，只要分析扩径臂因自身重力引起的弯曲变形。 下面再用有限元对其进行一个验证： 材料性能：铸铝，e 一7 l x l 0 5 h i p ，泊松比o2 5 ，密度为2 7 1 0 “船卅，重力 加速度为9 8 0 d m m s 2 ，扩径臂长1 1 0 0 m m ，宽7 0 m m ，高8 0 m m ，总质量4 3 5 2 撇。 图4 4 扩径臂初始状态有限元分析示意图 图中，x 为横向坐标( 扩径臂长度) ，y 为纵向坐标( 扩径臂高度) ，z 为扩径臂厚 度的坐标。以扩径臂小端处的最低点为坐标原点。数字1 表示扩径臂的固定端。 图4 5 扩径臂整体变形图 焉胃专忑u = 而而_ = _ 面矿= 磊- 丽百_ 二= 一黑嚣“0e e 31 一“o e 一0 ；? ，1 一 图4 6 扩径臂沿v 方向的变形 。一=。n1 二 一， 一- 0 e ：! 一 曩：! ，一一t r 一_ - 一_ 一l 一1 1 1 ， 图4 7 扩径臂沿z 方向的变形 经过分析，扩径臂整体在初始状态，在重力加速度9 8 0 0 m 州s2 作用下，整体变形 量为0 0 0 7 4