专利名称：采用双光楔实现的机载红外扫描观察装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光电侦察技术领域，主要涉及一种机载红外搜索导航吊舱用的扫描 观察装置，尤其涉及一种采用消色差双光楔实现瞄准线扫描的机载红外扫描观察装置。
背景技术：
机载红外搜索导航吊舱用于提高飞机在夜间和复杂气象条件下的战场感知能 力，使夜间低空突防成为可能，使得飞机真正具备夜视夜战能力。为了完成目标搜索和飞行导航任务，飞行员要对飞行前方区域进行扫描观察， 机载红外搜索导航吊舱的瞄准线需要在方位和俯仰两个方向上进行扫描运动。传统的实 现瞄准线扫描观察的方法一种是将红外热像仪探测器安装在万向架结构中，通过万向架 的转动实现瞄准线方位、俯仰运动；另一种是将安装在万向架结构上的反射镜放置在红 外热像仪探测器前端光路中，通过万向架转动反射镜实现瞄准线运动。在第一种采用万向架结构形式的方法中优点是控制规律简单，缺点包括(1) 结构尺寸大；(2)负载转动惯量大，伺服控制难度大。在第二种采用反射镜的方法中优 点是可以减小宽度方向的尺寸，缺点包括(1)需要消除反射镜运动带来的像旋；(2)瞄 准线无法实现大角度范围运动；(3)系统运动机构多，结构复杂，空间利用率不高；(4) 对外界振动敏感。在机载设备中，结构体积和重量常常都有严格的要求，特别是在固定翼飞机 上，外挂设备的宽度和高度尺寸都有严格的限制。显然上述两种实现瞄准线运动的方法 不能很好地满足这一限制要求，因而需要考虑一种新的实现瞄准线运动的控制方法。光楔是光学系统中实现小角度偏转的元件，可以改变光线方向。当两个相同 光楔配对组成双光楔使用，通过控制两个光楔的相对旋转角度，出射光线可以在以入射 光为轴的角锥内任意方向变化，引导光轴到达指定的位置，就可以实现瞄准线的扫描运 动。当瞄准线扫描运动的角度较大时，就需要光楔的楔角较大。较大楔角的光楔在偏转 光线的同时会带来严重的色差。为了消除色差，设计一种楔镜组，将两个不同材质不同 楔角的光楔进行组合，楔角大的楔镜采用色散小的材料，如硅单晶；楔角小的楔镜采用 色散大的材料，如锗单晶。两个光楔相对的工作平面相对平行，这样组合的楔镜组的色 散可以减小到光学系统的使用要求之内。美国专利USP7037005B2公开了一种采用消色差棱镜的云台装置。该装置中使 用了两块相同的消色差棱镜，每个消色差棱镜由两块光楔组成。第一消色差棱镜1和第 二消色差棱镜2位置关系如图1所示。第一消色差棱镜1由第一光楔1-1和第二光楔1-2 如图放置组成，第二消色差棱镜由第三光楔2-1和第四光楔2-2如图放置组成。第二光 楔1-2的第二镜面1-6垂直于光轴3，第三光楔2-1的第一镜面2-3垂直于光轴3，这两 个镜面相互平行。第一光楔1-1的第二镜面1-4倾斜于光轴3，第二光楔1-2的第一镜面 1-5倾斜于光轴3，这两个镜面相互平行。第一光楔1-1的第一镜面1-3倾斜于光轴3。 第三光楔2-1的第二镜面2-4倾斜于光轴3，第四光楔2-2的第一镜面2-5倾斜于光轴3，这两个镜面相互平行。第四光楔2-2的第二镜面2-6倾斜于光轴3。第二光楔1-2和第 三光楔2-1采用硫化锌材料，第一光楔1-1和第四光楔2-2采用蓝宝石材料。第一消色差棱镜1和第二消色差棱镜2绕光轴3相对转动可以在30度范围内改 变可见光/长波红外光的方向，为静止的成像设备提供一种左右、上下摇摄方法。该专利公开的云台装置中存在两方面不利因素第一，在进行光楔胶合装配时 不便于机械定位且相邻光楔的相邻面平行度难以保证；第二，装置中光楔所用的材料价 格高，加工难度大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对在重量和空间尺寸有严格限制，特别是宽度 方向的尺寸较小的情况下，提供一种实现瞄准线大范围扫描观察的机载红外搜索导航装置。为解决上述技术问题，本发明提供的瞄准线扫描观察装置包括机上操控单元， 消色楔镜组件、含有成像镜组和中波红外探测器及信号处理电路的热像仪、执行机构组 件、伺服驱动电路、显示器和计算机；所述机上操控单元带有拨轮、按键及处理电路， 其功能是将操作人员的手动指令转换成瞄准线的角度指令并送入所述计算机中；所述执行机构组件包含结构组成完全相同的第一、第二执行机构，第一、第二 执行机构均含有电机、齿轮减速器、小齿轮和大齿盘，齿轮减速器的输入端与电机的转 轴固连，输出端与小齿轮固连；所述消色楔镜组件包含基座、结构组成相同的第一、第二楔镜组、两个遮光片 和两个光电指针，基座为前后端带有突起圆柱的方形结构体，沿突起圆柱设有两端相通 的通孔且通孔中设有与基座方顶相通的豁槽，第一或第二楔镜组包含第一或第二镜筒、 第一楔镜、第二楔镜和三个隔圈，第一楔镜和第二楔镜通过三个隔圈固定在第一或第二 镜筒中，第一楔镜的第二镜面和第二楔镜的第一镜面平行且均垂直于光轴，第一楔镜的 第一镜面和第二楔镜的第二镜面均倾斜于光轴，光轴和第一或第二楔镜组的转动轴平 行；第一、第二镜筒的后端面分别与第一、第二执行机构中的大齿盘固连，第一楔镜 组、第二楔镜组分别通过轴承安装在基座的通孔中，其中，第二楔镜组与所述成像镜组 相邻，第一执行机构中的大齿盘位于豁槽中并与第一执行机构中的小齿轮啮合，第二执 行机构中的大齿盘则位于通孔的外侧并与第二执行机构中的小齿轮啮合，所述两个遮光 片分别粘贴在两个大齿盘上，两个光电指针均固连在基座上，当遮光片随大齿盘运行进 入对应光电指针的光线区并遮挡光线时，第一楔镜组的最厚边和第二楔镜组的最薄边均 处于同一个水平面，且光电指针向伺服驱动电路输出低电平信号；所述伺服驱动电路带 有第一伺服放大器和第二伺服放大器，第一、第二伺服放大器根据计算机的初始化驱动 指令和旋转角度指令以闭环伺服控制方式对应驱动第一、第二电机按指定的速度和加速 度转动，在接到对应光电指针送的低电平信号后控制电机停止转动；所述计算机的功能 是，一旦上电，向所述伺服驱动电路送初始化驱动指令；根据机上操控单元送来的瞄准 线角度指令，分别计算出第一楔镜组、第二楔镜组绕各自转动轴的旋转角度，并将旋转 角度指令发送给伺服驱动电路；空间景物的红外光线经过消色楔镜组件偏转后，由所述成像镜组成像到所述中波红外探测器的靶面上并转换成电信号，电信号经所述信号处理电路处理成视频信号并 在所述显示器上显示。在本发明中，所述第一、第二楔镜组的楔角均为6.8°在本发明中，所述第一、第二楔镜组中的第一楔镜的材料选用硅，第二楔镜的 材料选用锗。在本发明中，所述第一楔镜的楔角为10.3°，直径为45mm，中心厚度为6mm， 最薄端厚度为1.91mm，最厚端厚度为10.09mm ；所述第二楔镜的楔角为3.5°，直径为 45mm，中心厚度为3mm，最薄端厚度为1.62mm，最厚端厚度为4.38mm。本发明的有益效果体现在以下几个方面。(一)利用光楔对光线的偏转作用，合理设计光楔的楔角和材料组成达到控制瞄 准线偏转的目的，设计的系统结构紧凑，体积尺寸小。宽度和高度方向尺寸和光楔直径 大小有关，光楔直径大小由通光口径决定，因此这两个方向上的尺寸可以很小。(二)将两个楔镜组作为扫描的控制负载，因此转动惯量小，易于控制；此外， 楔镜组转动平面和光轴方向垂直，因而扫描观察装的瞄准线及成像质量对外界振动不敏 感，不易受到不良影响。(三)两个楔镜组的转动相互独立，两者不存在轴系间耦合，因而一个楔镜组的 转动不会对另一个楔镜组产生影响。
图1是现有技术中由消色棱镜实现的云台装置组成示意图。图2是本发明机载红外扫描观察装置的结构组成示意图。图3是本发明中消色楔镜组件竖直方向剖面示意图。图4是本发明中第一楔镜组的结构图。图5是本发明中基座的三维立体图。图6是本发明中第一楔镜的结构图。图7是本发明中第二楔镜的结构图。图8是本发明中两个楔镜组在初始位置的关系示意图。图9是是瞄准线为最小偏转角时两个楔镜组的位置关系示意图。图10是瞄准线为最大偏转角时两个楔镜组的位置关系示意图。图11是楔镜组光线偏转的角度矢量分解图。图12是本发明中瞄准线扫描观察区域示意图。图13是本发明中计算机的工作流程图。具体实施说明下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详述。如图2所示，本发明机载红外搜索导航装置的优选实施例包括消色差楔镜组件 4、含有成像镜组、中波红外探测器和信号处理电路的热像仪5、执行机构组件8、伺服 驱动电路6、计算机7、显示器9和机上操控单元10。热像仪5含有成像镜组和中波红外探测器，成像镜组安装于中波红外探测器窗 口前方，中波红外探测器选用斯特林制冷的3 5μιη焦平面探测器。机上操控单元10为现有技术，其上带有拨轮和按键及处理电路。当操作员操作拨轮和按键时，机上操控 单元10可将拨轮的转动量换算成瞄准线的角度指令通过ARINC429总线送给计算机7。 计算机7为具有RS232串口和ARINC429总线接口的普通计算机，它接收机上操控单元 10的操控指令，并将操控指令解算为电机的旋转角度指令，通过RS232串口发送给伺服 驱动电路6。伺服驱动电路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 大器并通过RS232串口与计算机7相连，第一伺服放大器和第二伺服放大器均包含位置环 路、速度环路和电流环路。执行机构组件8包含第一执行机构和第二执行机构，第一执行机构由第一伺服 放大器根据计算机7指令控制执行动作，第二执行机构由第二伺服放大器根据计算机7指 令控制执行动作。第一执行机构和第二执行机构结构组成相同，根据图3所示，两者均 含有电机12、光电编码器11、齿轮减速器13、小齿轮16和大齿盘17。光电编码器11 旋转一周脉冲数为512，齿轮减速器13的减速比为22 1。光电编码器11固连在电机 12的转轴上，且电机12的转轴与齿轮减速器13的输入端相连；电机12和光电编码器11 的电源线和信号线经由接插件连接到伺服驱动电路6上。小齿轮16通过销钉固定在齿轮 减速器13的输出端；大齿盘17与小齿轮16的齿模数为1，减速比为3 1。根据图3所示，消色差楔镜组件4包含基座26、第一楔镜组14、第二楔镜组 15、两个遮光片25和两个光电指针27。基座26为前后端带有突起圆柱的方形结构体， 沿突起圆柱设有两端相通的通孔26-1 (参见图4)，通孔26-1中设有与基座方顶相通的豁 槽26-2。第一楔镜组14装在第一隔圈23和第二隔圈24之间，由压圈22压装在第一镜 筒21中，第二楔镜组15和第一楔镜组14的结构形式和材料完全相同，即第二楔镜组15 安装在第二镜筒内。第一镜筒21和第二镜筒的后端面分别通过6个Φ3的螺钉与第一、 第二执行机构中的大齿盘固连。第一楔镜组14、第二楔镜组15分别通过角接触球轴承 18安装在基座26的通孔26-1中，其中，第二楔镜组15与红外热像仪5相邻，第一大齿 盘位于豁槽26-2中，第二大齿盘则位于通孔26-1的后端外侧。两个遮光片25分别粘贴 在大齿盘17的指定位置上，两个光电指针27均固连在基座26的外表面上，当遮光片随 大齿盘运行进入光电指针27的光线区并遮挡光线时，光电指针27向伺服驱动电路6输出 低电平信号。第一执行机构中的小齿轮16与固连在第一镜筒21上的大齿盘啮合，第二 执行机构中的小齿轮16与固连在第二镜筒上的大齿盘啮合。如图5所示，第一楔镜组14由第一楔镜29、第二楔镜30和第三隔圈28组成， 三者用环氧胶粘合在一起。第三隔圈28的厚度为0.2mm，三者粘合后第一楔镜组14的 楔角为6.8°。第一楔镜29的第二镜面35和第二楔镜30的第一镜面33平行，这两个镜 面都垂直于光轴32。第一楔镜29的第一镜面34和第二楔镜30的第二镜面31都倾斜于 光轴32。光轴32和与第一楔镜组14的转动轴平行。第一楔镜29所用材料为硅，其结构参数如图6所示。楔角为10.3°，楔镜直径 为45mm，中心厚度为6mm，最薄端厚度为1.91mm，最厚端厚度为10.09mm。第二楔镜 30所用材料为锗，其结构参数如图7所示。楔角为3.5°，楔镜直径为45mm，中心厚度 为3mm，最薄端厚度为1.62mm，最厚端厚度为4.38mm。根据第一楔镜组14和第二楔镜组15的结构和材料参数可以计算出其对光线的偏 转角度都为15.5°。可以看出，通过相对转动两个楔镜组，整个装置的瞄准线的偏转角度最小为0°，最大为31°。为了便于控制和简化计算，将第一楔镜组14的最厚边或最 薄边和第二楔镜组15最薄边或最厚边均水平且在同一水平面时的位置定义为消色差楔镜 组件4的初始位置(参见图5和图8)，并由光电指针27和遮光片25进行标示，即消色差 楔镜组件4在初始位置时，遮光片25遮挡光电指针27的光线，光电指针27向伺服驱动 电路6输出低电平信号。当第一楔镜组14和第二楔镜组15的位置关系满足初始位置条 件时，消色差楔镜组件4的瞄准线偏转角为0° (见图9)，当第一楔镜组14的最薄边或 最厚边和第二楔镜组15的最薄边或最厚边连线位于同一平面内，消色差楔镜组件4的瞄 准线的偏转角为最大值即31° (见图10)如图11所示，如果将第一楔镜组14和第二楔镜组15对瞄准线的偏转角度视为 空间上的矢量时，第一楔镜组14绕转动轴的旋转角度为α，第二楔镜组15绕转动轴的旋 转角度为β，两个楔镜组光学偏转角矢量模为Al = Α2 = A = 15.5，则有以下关系式。第一楔镜组14在X方向(方位)和Y方向(俯仰)的分量为 fxl = A. cos aA .
=(1)第二楔镜组15在X方向(方位)和Y方向(俯仰)的分量为 Jx2 = A ■ cos(;r + β)\γ2 = Α·8 η(π + β)(2)两个楔镜组的合成矢量为IΗ)ν Η}(3) L _y3 二 乂. sin α + Z · sin(^ + ^) = 15.5sin + 15.5 sin(;r + β)公式(3)中x3为扫描观察装置瞄准线的方位角度，y3为扫描观察装置瞄准线的 俯仰角度。根据公式(3)，由第一楔镜组14绕转动轴的旋转角度α和第二楔镜组15绕转 动轴的旋转角度β即可得到机载红外扫描观察装置瞄准线的指向位置。机载红外扫描观 察装置瞄准线扫描观察的区域范围是消色差楔镜组件4瞄准线最大偏转角的两倍(见图 12)。如果瞄准线要到达的位置已知，即公式(3)中的x3、y3已知，需要扫描观察装 置将瞄准线指向该位置，对公式(3)进行解算得到如下结果当x3 = 0 时，a = arcsin(^j-) ,β = -arcsin(^j)(4)当x3 乒 0 时，
权利要求
1.一种采用双光楔实现的机载红外扫描观察装置，包括机上操控单元[10]，含有成像 镜组、中波红外探测器和信号处理电路的热像仪[5]、显示器[9]和计算机[7]，所述机上 操控单元[10]带有拨轮、按键及处理电路，其功能是将操作人员的手动指令转换成瞄准 线的角度指令并送入所述计算机[7]中；其特征在于还包括执行机构组件[8]、消色楔 镜组件[4]，伺服驱动电路[6];所述执行机构组件[8]包含结构组成完全相同的第一、第二执行机构，第一、第二执 行机构均含有电机[12]、齿轮减速器[13]、小齿轮[16]和大齿盘[17]，齿轮减速器[13]的 输入端与电机[12]的转轴固连，输出端与小齿轮[16]固连；所述消色楔镜组件[4]包含基座[26]、结构组成相同的第一、第二楔镜组[14]、[15]、 两个遮光片[25]和两个光电指针[27]，基座[26]为前后端带有突起圆柱的方形结构体，沿 突起圆柱设有两端相通的通孔[26-1]且通孔[26-1]中设有与基座方顶相通的豁槽[26-2]， 第一或第二楔镜组[14、15]包含第一或第二镜筒[21]、第一楔镜[29]、第二楔镜[30]和三 个隔圈[23、24、28],第一楔镜[29]和第二楔镜[30]通过三个隔圈[23、24、28]固定在第 一或第二镜筒[21]中，第一楔镜[29]的第二镜面[35]和第二楔镜[30]的第一镜面[33]平 行且均垂直于光轴[32]，第一楔镜[29]的第一镜面[34]和第二楔镜[30]的第二镜面[31]均 倾斜于光轴[32]，光轴[32]和第一或第二楔镜组[14]、[15]的转动轴平行；第一、第二镜 筒[21]的后端面分别与第一、第二执行机构中的大齿盘[17]固连，第一楔镜组[14]、第二 楔镜组[15]分别通过轴承[18]安装在基座[26]的通孔[26-1]中，其中，第二楔镜组[15] 与所述成像镜组相邻，第一执行机构中的大齿盘[17]位于豁槽[26-2]中并与第一执行机 构中的小齿轮[16]啮合，第二执行机构中的大齿盘[17]则位于通孔[26-1]的外侧并与第 二执行机构中的小齿轮[16]啮合，所述两个遮光片[25]分别粘贴在两个大齿盘[17]上， 两个光电指针[27]均固连在基座[26]上，当遮光片[25]随大齿盘[17]运行进入对应光电 指针[27]的光线区并遮挡光线时，第一楔镜组[14]的最厚边和第二楔镜组[15]的最薄边 均处于同一个水平面，且光电指针[27]向伺服驱动电路[6]输出低电平信号；所述伺服驱 动电路[6]带有第一伺服放大器和第二伺服放大器，第一、第二伺服放大器根据计算机[7] 的初始化驱动指令和旋转角度指令以闭环伺服控制方式对应驱动第一、第二电机[12]按 指定的速度和加速度转动，在接到对应光电指针[27]送的低电平信号后控制电机[12]停 止转动；所述计算机[7]的功能是，一旦上电，向所述伺服驱动电路[6]送初始化驱动指 令；根据机上操控单元[10]送来的瞄准线角度指令，分别计算出第一楔镜组[14]、第二 楔镜组[15]绕各自转动轴的旋转角度，并将旋转角度指令发送给伺服驱动电路[6]；空间 景物的红外光线经过消色楔镜组件[4]偏转后，由所述成像镜组成像到所述中波红外探测 器的靶面上并转换成电信号，电信号经所述信号处理电路处理成视频信号并在所述显示 器[9]上显示。
2.根据权利要求1所述的采用双光楔实现的机载红外扫描观察装置，其特征在于 所述第一、第二楔镜组[14、15]的楔角均为6.8°。
3.根据权利要求1或2所述的采用双光楔实现的机载红外扫描观察装置，其特征在 于所述第一、第二楔镜组[14、15]中的第一楔镜[29]的材料选用硅，第二楔镜[30]的 材料选用锗。
4.根据权利要求3所述的采用双光楔实现的机载红外扫描观察装置，其特征在于所述第一楔镜[29]的楔角为10.3°，直径为45mm，中心厚度为6mm，最薄端厚度为 1.91mm，最厚端厚度为10.09mm ；所述第二楔镜[30]的楔角为3.5°，直径为45mm，中 心厚度为3mm，最薄端厚度为1.62mm，最厚端厚度为4.38mm。
全文摘要
本发明公开了一种采用双光楔实现的机载红外扫描观察装置，属于光电侦察技术领域。该装置包括第一、第二楔镜组，热像仪、第一、第二执行机构、伺服驱动电路、显示器和计算机；计算机根据机上操控单元给出的瞄准线指令计算第一、第二楔镜组绕各自转轴的旋转角度并发送给伺服驱动电路，由此分别驱动第一、第二执行机构带动第一、第二楔镜组转动；空间红外景物经由第一、二楔镜组后由热像仪成像并生成视频信号，最终通过显示器显示给操作人员观察。本发明通过消色楔镜组件使机载红外导航装置实现了瞄准线扫描观察，且扫描观察装置具有结构紧凑、体积小、重量轻，对环境振动不敏感等优点，特别适用于有小型化要求的红外搜索导航系统。
文档编号G02B26/08GK102012268SQ20101029142
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者张宣智, 徐红伟, 栾亚东, 贠平平, 赫海凤, 陶忠 申请人:中国兵器工业第二〇五研究所