專利名稱：采用雙光楔實現的機載紅外掃描觀察裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電偵察技術領域，主要涉及一種機載紅外搜索導航吊艙用的掃描 觀察裝置，尤其涉及一種采用消色差雙光楔實現瞄準線掃描的機載紅外掃描觀察裝置。
背景技術：
機載紅外搜索導航吊艙用于提高飛機在夜間和復雜氣象條件下的戰場感知能 力，使夜間低空突防成為可能，使得飛機真正具備夜視夜戰能力。為了完成目標搜索和飛行導航任務，飛行員要對飛行前方區域進行掃描觀察， 機載紅外搜索導航吊艙的瞄準線需要在方位和俯仰兩個方向上進行掃描運動。傳統的實 現瞄準線掃描觀察的方法一種是將紅外熱像儀探測器安裝在萬向架結構中，通過萬向架 的轉動實現瞄準線方位、俯仰運動；另一種是將安裝在萬向架結構上的反射鏡放置在紅 外熱像儀探測器前端光路中，通過萬向架轉動反射鏡實現瞄準線運動。在第一種采用萬向架結構形式的方法中優點是控制規律簡單，缺點包括(1) 結構尺寸大；(2)負載轉動慣量大，伺服控制難度大。在第二種采用反射鏡的方法中優 點是可以減小寬度方向的尺寸，缺點包括(1)需要消除反射鏡運動帶來的像旋；(2)瞄 準線無法實現大角度范圍運動；(3)系統運動機構多，結構復雜，空間利用率不高；(4) 對外界振動敏感。在機載設備中，結構體積和重量常常都有嚴格的要求，特別是在固定翼飛機 上，外掛設備的寬度和高度尺寸都有嚴格的限制。顯然上述兩種實現瞄準線運動的方法 不能很好地滿足這一限制要求，因而需要考慮一種新的實現瞄準線運動的控制方法。光楔是光學系統中實現小角度偏轉的元件，可以改變光線方向。當兩個相同 光楔配對組成雙光楔使用，通過控制兩個光楔的相對旋轉角度，出射光線可以在以入射 光為軸的角錐內任意方向變化，引導光軸到達指定的位置，就可以實現瞄準線的掃描運 動。當瞄準線掃描運動的角度較大時，就需要光楔的楔角較大。較大楔角的光楔在偏轉 光線的同時會帶來嚴重的色差。為了消除色差，設計一種楔鏡組，將兩個不同材質不同 楔角的光楔進行組合，楔角大的楔鏡采用色散小的材料，如硅單晶；楔角小的楔鏡采用 色散大的材料，如鍺單晶。兩個光楔相對的工作平面相對平行，這樣組合的楔鏡組的色 散可以減小到光學系統的使用要求之內。美國專利USP7037005B2公開了一種采用消色差棱鏡的云臺裝置。該裝置中使 用了兩塊相同的消色差棱鏡，每個消色差棱鏡由兩塊光楔組成。第一消色差棱鏡1和第 二消色差棱鏡2位置關系如圖1所示。第一消色差棱鏡1由第一光楔1-1和第二光楔1-2 如圖放置組成，第二消色差棱鏡由第三光楔2-1和第四光楔2-2如圖放置組成。第二光 楔1-2的第二鏡面1-6垂直于光軸3，第三光楔2-1的第一鏡面2-3垂直于光軸3，這兩 個鏡面相互平行。第一光楔1-1的第二鏡面1-4傾斜于光軸3，第二光楔1-2的第一鏡面 1-5傾斜于光軸3，這兩個鏡面相互平行。第一光楔1-1的第一鏡面1-3傾斜于光軸3。 第三光楔2-1的第二鏡面2-4傾斜于光軸3，第四光楔2-2的第一鏡面2-5傾斜于光軸3，這兩個鏡面相互平行。第四光楔2-2的第二鏡面2-6傾斜于光軸3。第二光楔1-2和第 三光楔2-1采用硫化鋅材料，第一光楔1-1和第四光楔2-2采用藍寶石材料。第一消色差棱鏡1和第二消色差棱鏡2繞光軸3相對轉動可以在30度范圍內改 變可見光/長波紅外光的方向，為靜止的成像設備提供一種左右、上下搖攝方法。該專利公開的云臺裝置中存在兩方面不利因素第一，在進行光楔膠合裝配時 不便于機械定位且相鄰光楔的相鄰面平行度難以保證；第二，裝置中光楔所用的材料價 格高，加工難度大。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對在重量和空間尺寸有嚴格限制，特別是寬度 方向的尺寸較小的情況下，提供一種實現瞄準線大范圍掃描觀察的機載紅外搜索導航裝置。為解決上述技術問題，本發明提供的瞄準線掃描觀察裝置包括機上操控單元， 消色楔鏡組件、含有成像鏡組和中波紅外探測器及信號處理電路的熱像儀、執行機構組 件、伺服驅動電路、顯示器和計算機；所述機上操控單元帶有撥輪、按鍵及處理電路， 其功能是將操作人員的手動指令轉換成瞄準線的角度指令并送入所述計算機中；所述執行機構組件包含結構組成完全相同的第一、第二執行機構，第一、第二 執行機構均含有電機、齒輪減速器、小齒輪和大齒盤，齒輪減速器的輸入端與電機的轉 軸固連，輸出端與小齒輪固連；所述消色楔鏡組件包含基座、結構組成相同的第一、第二楔鏡組、兩個遮光片 和兩個光電指針，基座為前后端帶有突起圓柱的方形結構體，沿突起圓柱設有兩端相通 的通孔且通孔中設有與基座方頂相通的豁槽，第一或第二楔鏡組包含第一或第二鏡筒、 第一楔鏡、第二楔鏡和三個隔圈，第一楔鏡和第二楔鏡通過三個隔圈固定在第一或第二 鏡筒中，第一楔鏡的第二鏡面和第二楔鏡的第一鏡面平行且均垂直于光軸，第一楔鏡的 第一鏡面和第二楔鏡的第二鏡面均傾斜于光軸，光軸和第一或第二楔鏡組的轉動軸平 行；第一、第二鏡筒的后端面分別與第一、第二執行機構中的大齒盤固連，第一楔鏡 組、第二楔鏡組分別通過軸承安裝在基座的通孔中，其中，第二楔鏡組與所述成像鏡組 相鄰，第一執行機構中的大齒盤位于豁槽中并與第一執行機構中的小齒輪嚙合，第二執 行機構中的大齒盤則位于通孔的外側并與第二執行機構中的小齒輪嚙合，所述兩個遮光 片分別粘貼在兩個大齒盤上，兩個光電指針均固連在基座上，當遮光片隨大齒盤運行進 入對應光電指針的光線區并遮擋光線時，第一楔鏡組的最厚邊和第二楔鏡組的最薄邊均 處于同一個水平面，且光電指針向伺服驅動電路輸出低電平信號；所述伺服驅動電路帶 有第一伺服放大器和第二伺服放大器，第一、第二伺服放大器根據計算機的初始化驅動 指令和旋轉角度指令以閉環伺服控制方式對應驅動第一、第二電機按指定的速度和加速 度轉動，在接到對應光電指針送的低電平信號后控制電機停止轉動；所述計算機的功能 是，一旦上電，向所述伺服驅動電路送初始化驅動指令；根據機上操控單元送來的瞄準 線角度指令，分別計算出第一楔鏡組、第二楔鏡組繞各自轉動軸的旋轉角度，并將旋轉 角度指令發送給伺服驅動電路；空間景物的紅外光線經過消色楔鏡組件偏轉后，由所述成像鏡組成像到所述中波紅外探測器的靶面上并轉換成電信號，電信號經所述信號處理電路處理成視頻信號并 在所述顯示器上顯示。在本發明中，所述第一、第二楔鏡組的楔角均為6.8°在本發明中，所述第一、第二楔鏡組中的第一楔鏡的材料選用硅，第二楔鏡的 材料選用鍺。在本發明中，所述第一楔鏡的楔角為10.3°，直徑為45mm，中心厚度為6mm， 最薄端厚度為1.91mm，最厚端厚度為10.09mm ；所述第二楔鏡的楔角為3.5°，直徑為 45mm，中心厚度為3mm，最薄端厚度為1.62mm，最厚端厚度為4.38mm。本發明的有益效果體現在以下幾個方面。(一)利用光楔對光線的偏轉作用，合理設計光楔的楔角和材料組成達到控制瞄 準線偏轉的目的，設計的系統結構緊湊，體積尺寸小。寬度和高度方向尺寸和光楔直徑 大小有關，光楔直徑大小由通光口徑決定，因此這兩個方向上的尺寸可以很小。(二)將兩個楔鏡組作為掃描的控制負載，因此轉動慣量小，易于控制；此外， 楔鏡組轉動平面和光軸方向垂直，因而掃描觀察裝的瞄準線及成像質量對外界振動不敏 感，不易受到不良影響。(三)兩個楔鏡組的轉動相互獨立，兩者不存在軸系間耦合，因而一個楔鏡組的 轉動不會對另一個楔鏡組產生影響。


圖1是現有技術中由消色棱鏡實現的云臺裝置組成示意圖。圖2是本發明機載紅外掃描觀察裝置的結構組成示意圖。圖3是本發明中消色楔鏡組件豎直方向剖面示意圖。圖4是本發明中第一楔鏡組的結構圖。圖5是本發明中基座的三維立體圖。圖6是本發明中第一楔鏡的結構圖。圖7是本發明中第二楔鏡的結構圖。圖8是本發明中兩個楔鏡組在初始位置的關系示意圖。圖9是是瞄準線為最小偏轉角時兩個楔鏡組的位置關系示意圖。圖10是瞄準線為最大偏轉角時兩個楔鏡組的位置關系示意圖。圖11是楔鏡組光線偏轉的角度矢量分解圖。圖12是本發明中瞄準線掃描觀察區域示意圖。圖13是本發明中計算機的工作流程圖。具體實施說明下面結合附圖和優選實施例對本發明作進一步的詳述。如圖2所示，本發明機載紅外搜索導航裝置的優選實施例包括消色差楔鏡組件 4、含有成像鏡組、中波紅外探測器和信號處理電路的熱像儀5、執行機構組件8、伺服 驅動電路6、計算機7、顯示器9和機上操控單元10。熱像儀5含有成像鏡組和中波紅外探測器，成像鏡組安裝于中波紅外探測器窗 口前方，中波紅外探測器選用斯特林制冷的3 5μιη焦平面探測器。機上操控單元10為現有技術，其上帶有撥輪和按鍵及處理電路。當操作員操作撥輪和按鍵時，機上操控 單元10可將撥輪的轉動量換算成瞄準線的角度指令通過ARINC429總線送給計算機7。 計算機7為具有RS232串口和ARINC429總線接口的普通計算機，它接收機上操控單元 10的操控指令，并將操控指令解算為電機的旋轉角度指令，通過RS232串口發送給伺服 驅動電路6。伺服驅動電路6含有均采用位置工作模式的第一伺服放大器和第二伺服放 大器并通過RS232串口與計算機7相連，第一伺服放大器和第二伺服放大器均包含位置環 路、速度環路和電流環路。執行機構組件8包含第一執行機構和第二執行機構，第一執行機構由第一伺服 放大器根據計算機7指令控制執行動作，第二執行機構由第二伺服放大器根據計算機7指 令控制執行動作。第一執行機構和第二執行機構結構組成相同，根據圖3所示，兩者均 含有電機12、光電編碼器11、齒輪減速器13、小齒輪16和大齒盤17。光電編碼器11 旋轉一周脈沖數為512，齒輪減速器13的減速比為22 1。光電編碼器11固連在電機 12的轉軸上，且電機12的轉軸與齒輪減速器13的輸入端相連；電機12和光電編碼器11 的電源線和信號線經由接插件連接到伺服驅動電路6上。小齒輪16通過銷釘固定在齒輪 減速器13的輸出端；大齒盤17與小齒輪16的齒模數為1，減速比為3 1。根據圖3所示，消色差楔鏡組件4包含基座26、第一楔鏡組14、第二楔鏡組 15、兩個遮光片25和兩個光電指針27。基座26為前后端帶有突起圓柱的方形結構體， 沿突起圓柱設有兩端相通的通孔26-1 (參見圖4)，通孔26-1中設有與基座方頂相通的豁 槽26-2。第一楔鏡組14裝在第一隔圈23和第二隔圈24之間，由壓圈22壓裝在第一鏡 筒21中，第二楔鏡組15和第一楔鏡組14的結構形式和材料完全相同，即第二楔鏡組15 安裝在第二鏡筒內。第一鏡筒21和第二鏡筒的后端面分別通過6個Φ3的螺釘與第一、 第二執行機構中的大齒盤固連。第一楔鏡組14、第二楔鏡組15分別通過角接觸球軸承 18安裝在基座26的通孔26-1中，其中，第二楔鏡組15與紅外熱像儀5相鄰，第一大齒 盤位于豁槽26-2中，第二大齒盤則位于通孔26-1的后端外側。兩個遮光片25分別粘貼 在大齒盤17的指定位置上，兩個光電指針27均固連在基座26的外表面上，當遮光片隨 大齒盤運行進入光電指針27的光線區并遮擋光線時，光電指針27向伺服驅動電路6輸出 低電平信號。第一執行機構中的小齒輪16與固連在第一鏡筒21上的大齒盤嚙合，第二 執行機構中的小齒輪16與固連在第二鏡筒上的大齒盤嚙合。如圖5所示，第一楔鏡組14由第一楔鏡29、第二楔鏡30和第三隔圈28組成， 三者用環氧膠粘合在一起。第三隔圈28的厚度為0.2mm，三者粘合后第一楔鏡組14的 楔角為6.8°。第一楔鏡29的第二鏡面35和第二楔鏡30的第一鏡面33平行，這兩個鏡 面都垂直于光軸32。第一楔鏡29的第一鏡面34和第二楔鏡30的第二鏡面31都傾斜于 光軸32。光軸32和與第一楔鏡組14的轉動軸平行。第一楔鏡29所用材料為硅，其結構參數如圖6所示。楔角為10.3°，楔鏡直徑 為45mm，中心厚度為6mm，最薄端厚度為1.91mm，最厚端厚度為10.09mm。第二楔鏡 30所用材料為鍺，其結構參數如圖7所示。楔角為3.5°，楔鏡直徑為45mm，中心厚度 為3mm，最薄端厚度為1.62mm，最厚端厚度為4.38mm。根據第一楔鏡組14和第二楔鏡組15的結構和材料參數可以計算出其對光線的偏 轉角度都為15.5°。可以看出，通過相對轉動兩個楔鏡組，整個裝置的瞄準線的偏轉角度最小為0°，最大為31°。為了便于控制和簡化計算，將第一楔鏡組14的最厚邊或最 薄邊和第二楔鏡組15最薄邊或最厚邊均水平且在同一水平面時的位置定義為消色差楔鏡 組件4的初始位置(參見圖5和圖8)，并由光電指針27和遮光片25進行標示，即消色差 楔鏡組件4在初始位置時，遮光片25遮擋光電指針27的光線，光電指針27向伺服驅動 電路6輸出低電平信號。當第一楔鏡組14和第二楔鏡組15的位置關系滿足初始位置條 件時，消色差楔鏡組件4的瞄準線偏轉角為0° (見圖9)，當第一楔鏡組14的最薄邊或 最厚邊和第二楔鏡組15的最薄邊或最厚邊連線位于同一平面內，消色差楔鏡組件4的瞄 準線的偏轉角為最大值即31° (見圖10)如圖11所示，如果將第一楔鏡組14和第二楔鏡組15對瞄準線的偏轉角度視為 空間上的矢量時，第一楔鏡組14繞轉動軸的旋轉角度為α，第二楔鏡組15繞轉動軸的旋 轉角度為β，兩個楔鏡組光學偏轉角矢量模為Al = Α2 = A = 15.5，則有以下關系式。第一楔鏡組14在X方向(方位)和Y方向(俯仰)的分量為 fxl = A. cos aA .
=(1)第二楔鏡組15在X方向(方位)和Y方向(俯仰)的分量為 Jx2 = A ■ cos(;r + β)\γ2 = Α·8 η(π + β)(2)兩個楔鏡組的合成矢量為IΗ)ν Η}(3) L _y3 二 乂. sin α + Z · sin(^ + ^) = 15.5sin + 15.5 sin(;r + β)公式(3)中x3為掃描觀察裝置瞄準線的方位角度，y3為掃描觀察裝置瞄準線的 俯仰角度。根據公式(3)，由第一楔鏡組14繞轉動軸的旋轉角度α和第二楔鏡組15繞轉 動軸的旋轉角度β即可得到機載紅外掃描觀察裝置瞄準線的指向位置。機載紅外掃描觀 察裝置瞄準線掃描觀察的區域范圍是消色差楔鏡組件4瞄準線最大偏轉角的兩倍(見圖 12)。如果瞄準線要到達的位置已知，即公式(3)中的x3、y3已知，需要掃描觀察裝 置將瞄準線指向該位置，對公式(3)進行解算得到如下結果當x3 = 0 時，a = arcsin(^j-) ,β = -arcsin(^j)(4)當x3 乒 0 時，
權利要求
1.一種采用雙光楔實現的機載紅外掃描觀察裝置，包括機上操控單元[10]，含有成像 鏡組、中波紅外探測器和信號處理電路的熱像儀[5]、顯示器[9]和計算機[7]，所述機上 操控單元[10]帶有撥輪、按鍵及處理電路，其功能是將操作人員的手動指令轉換成瞄準 線的角度指令并送入所述計算機[7]中；其特征在于還包括執行機構組件[8]、消色楔 鏡組件[4]，伺服驅動電路[6];所述執行機構組件[8]包含結構組成完全相同的第一、第二執行機構，第一、第二執 行機構均含有電機[12]、齒輪減速器[13]、小齒輪[16]和大齒盤[17]，齒輪減速器[13]的 輸入端與電機[12]的轉軸固連，輸出端與小齒輪[16]固連；所述消色楔鏡組件[4]包含基座[26]、結構組成相同的第一、第二楔鏡組[14]、[15]、 兩個遮光片[25]和兩個光電指針[27]，基座[26]為前后端帶有突起圓柱的方形結構體，沿 突起圓柱設有兩端相通的通孔[26-1]且通孔[26-1]中設有與基座方頂相通的豁槽[26-2]， 第一或第二楔鏡組[14、15]包含第一或第二鏡筒[21]、第一楔鏡[29]、第二楔鏡[30]和三 個隔圈[23、24、28],第一楔鏡[29]和第二楔鏡[30]通過三個隔圈[23、24、28]固定在第 一或第二鏡筒[21]中，第一楔鏡[29]的第二鏡面[35]和第二楔鏡[30]的第一鏡面[33]平 行且均垂直于光軸[32]，第一楔鏡[29]的第一鏡面[34]和第二楔鏡[30]的第二鏡面[31]均 傾斜于光軸[32]，光軸[32]和第一或第二楔鏡組[14]、[15]的轉動軸平行；第一、第二鏡 筒[21]的后端面分別與第一、第二執行機構中的大齒盤[17]固連，第一楔鏡組[14]、第二 楔鏡組[15]分別通過軸承[18]安裝在基座[26]的通孔[26-1]中，其中，第二楔鏡組[15] 與所述成像鏡組相鄰，第一執行機構中的大齒盤[17]位于豁槽[26-2]中并與第一執行機 構中的小齒輪[16]嚙合，第二執行機構中的大齒盤[17]則位于通孔[26-1]的外側并與第 二執行機構中的小齒輪[16]嚙合，所述兩個遮光片[25]分別粘貼在兩個大齒盤[17]上， 兩個光電指針[27]均固連在基座[26]上，當遮光片[25]隨大齒盤[17]運行進入對應光電 指針[27]的光線區并遮擋光線時，第一楔鏡組[14]的最厚邊和第二楔鏡組[15]的最薄邊 均處于同一個水平面，且光電指針[27]向伺服驅動電路[6]輸出低電平信號；所述伺服驅 動電路[6]帶有第一伺服放大器和第二伺服放大器，第一、第二伺服放大器根據計算機[7] 的初始化驅動指令和旋轉角度指令以閉環伺服控制方式對應驅動第一、第二電機[12]按 指定的速度和加速度轉動，在接到對應光電指針[27]送的低電平信號后控制電機[12]停 止轉動；所述計算機[7]的功能是，一旦上電，向所述伺服驅動電路[6]送初始化驅動指 令；根據機上操控單元[10]送來的瞄準線角度指令，分別計算出第一楔鏡組[14]、第二 楔鏡組[15]繞各自轉動軸的旋轉角度，并將旋轉角度指令發送給伺服驅動電路[6]；空間 景物的紅外光線經過消色楔鏡組件[4]偏轉后，由所述成像鏡組成像到所述中波紅外探測 器的靶面上并轉換成電信號，電信號經所述信號處理電路處理成視頻信號并在所述顯示 器[9]上顯示。
2.根據權利要求1所述的采用雙光楔實現的機載紅外掃描觀察裝置，其特征在于 所述第一、第二楔鏡組[14、15]的楔角均為6.8°。
3.根據權利要求1或2所述的采用雙光楔實現的機載紅外掃描觀察裝置，其特征在 于所述第一、第二楔鏡組[14、15]中的第一楔鏡[29]的材料選用硅，第二楔鏡[30]的 材料選用鍺。
4.根據權利要求3所述的采用雙光楔實現的機載紅外掃描觀察裝置，其特征在于所述第一楔鏡[29]的楔角為10.3°，直徑為45mm，中心厚度為6mm，最薄端厚度為 1.91mm，最厚端厚度為10.09mm ；所述第二楔鏡[30]的楔角為3.5°，直徑為45mm，中 心厚度為3mm，最薄端厚度為1.62mm，最厚端厚度為4.38mm。
全文摘要
本發明公開了一種采用雙光楔實現的機載紅外掃描觀察裝置，屬于光電偵察技術領域。該裝置包括第一、第二楔鏡組，熱像儀、第一、第二執行機構、伺服驅動電路、顯示器和計算機；計算機根據機上操控單元給出的瞄準線指令計算第一、第二楔鏡組繞各自轉軸的旋轉角度并發送給伺服驅動電路，由此分別驅動第一、第二執行機構帶動第一、第二楔鏡組轉動；空間紅外景物經由第一、二楔鏡組后由熱像儀成像并生成視頻信號，最終通過顯示器顯示給操作人員觀察。本發明通過消色楔鏡組件使機載紅外導航裝置實現了瞄準線掃描觀察，且掃描觀察裝置具有結構緊湊、體積小、重量輕，對環境振動不敏感等優點，特別適用于有小型化要求的紅外搜索導航系統。
文檔編號G02B26/08GK102012268SQ20101029142
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月21日 優先權日2010年9月21日
發明者張宣智, 徐紅偉, 欒亞東, 贠平平, 赫海鳳, 陶忠 申請人:中國兵器工業第二〇五研究所