专利名称：一种高仰角潜艇光电警戒探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高仰角、大空域潜艇用光电警戒探测装置，属于光电警戒技术领域。
背景技术：
潜用光电警戒探测装置是潜艇对水面和空中目标进行警戒探测的重要设备。潜用光电警戒探测设备从最初出现的光学潜望镜开始，经历了光学潜望镜、光机潜望镜、光电潜望镜和光电桅杆的发展过程。
现有的潜用光电警戒探测设备艇外部分包括光电探测头和支撑管，光电探测头主要由耐压外壳、光电成像探测装置组成，光电成像探测装置主要包括矩形平面耐压保护光学窗口、俯仰反射镜(平面镜或棱镜)和光电传感器(光学镜头+红外探测器或电视)，通过驱动光电成像探测装置回转并控制反射镜俯仰角变化实现一定空域的光电警戒。由于现有的潜用光电装备普遍采用光电成像探测装置的光电传感器光轴与其竖直回转轴平行或重合的结构，使得潜用光电
成像探测装置的警戒探测高度范围受限， 一般而言，最大仰角限制在30° ~50°之间。为了扩大潜用光电装备探测成像的高度范围，有人提出错列多套光电成像探测装置的技术方案，这种方案的不足是结构复杂，如要实时显示图像，则需要多套显控装置或一套显控装置切换显示局部场景。
发明内容
构简单、警戒探测高度范围较大的高仰角、大空域潜艇用光电警戒探测装置。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为包括光电探测头和与光电探测头密封相连的支撑管，光电探测头主要由耐压外壳、光电成像探测装置组成，所述的光电成像探测装置包括矩形平面耐压保护光学窗口、俯仰反射 镜和光电传感器，光电探测头下端与安设在支撑管内的竖直回转驱动装置相连， 其不同之处在于所述的光电成像探测装置的光电传感器光轴相对竖直回转轴线
倾斜，倾斜角度范围为IO。
~30° 。
按上述方案，所述的光电探测头通过密封装置与支撑管密封相连，所述的 密封装置包括端面动密封装置和周向密封装置，构成双重密封装置。 按上述方案，所述的周向密封装置配置有密封圈自动压紧装置。 按上述方案，所述的光电传感器包括光学镜头和红外探测器，或者光学镜
头和可见光CCD。
按上述方案，所述的竖直回转驱动装置包括与转子相联的方位轴和力矩电 机，方位轴的下端配置有旋转变压器和导电滑环。
本发明的有益效果在于1、通过较为简单的结构变化，有效提高了潜用光 电警戒探测设备的警戒探测高度空域范围；2、密封装置为双重密封结构，具有 结构紧凑、体积小、可靠性高的特点；3、在潜用光电装备探测视场和线性渐暈 不变的前提下，可以大大减小反射镜的长度(减小30%左右)，从而使光电扫描 探测头尺寸和重量降低；或在潜用光电装备探测空域和反射镜长度不变的条件 下，使矩形平面耐压保护光学窗口长度尺寸减小，进而减小耐压保护光学窗口 的厚度，有利于提高光能透过率。
图1为本发明一个实施例的主体结构图。
图2为本发明一个实施例中矩形平面耐压保护光学窗口的剖视图。
图3为本发明一个实施例中密封装置和竖直回转驱动装置部分的全剖视图。
图4为图3中的B部放大图。
图5、图6分别为本发明瞄准线稳定控制数学模型的坐标系定义和地平坐标系内的向量定义图示。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细说明。
包括光电探测头和与光电探测头密封相连的支撑管，光电探测头可露出水
面工作，主要由耐压外壳、光电成像探测装置、方位轴系5、俯仰轴系7组成， 所述的光电成像探测装置包括矩形平面耐压保护光学窗口、俯仰反射镜2和光 电传感器3,其中矩形平面耐压保护光学窗口安设在耐压外壳10的上端一侧， 由矩形窗口玻璃1、压圈8和密封垫圈9构成，密封垫圈设置在矩形窗口玻璃的 内外端面；俯仰反射镜安设在耐压外壳内的上端，与矩形平面耐压保护光学窗 口相对应；在耐压外壳内下方安设光电传感器3，所述的光电传感器包括光学镜 头和红外探测器，或者光学镜头和可见光CCD。光电探测头下端通过回转座4和 与其相配置的密封装置与支撑管6密封相连，并与安设在支撑管内的竖直回转 驱动装置相连，驱动光电探测头竖直旋转，所述光电成像探测装置的光电传感 器光轴Z2相对竖直回转驱动装置的回转轴线Zl倾斜20° ，矩形平面耐压保护 光学窗口也向上摆转相应角度；所述的光电探测头下端与回转座4相配置的密 封装置包括端面动密封装置和周向密封装置，为双重密封装置。其中端面动密 封装置包括与回转座4相联的端面动密封圈15和与支撑管6上端相联的端面静 密封圏16,端面动密封圈和端面静密封圈均为金属密封圈，由镍铬合金制成， 通过端面动密封圏的下端面与端面静密封圈上端面相贴合，且上下端面均为镜 平面，构成端面动密封装置；周向密封装置包括设置在支撑管内孔密封槽中的 两个0型密封圈17、 19，两O型密封圏之间安有上下移动的活动金属隔圈18, 两0型密封圈的周向与回转座4的回转外周相配置，构成周向密封装置，在周 向密封装置下方配置有密封圈自动压紧装置，密封圏自动压紧装置包括设置在0 型密封圏下端的压圈，压圏的下端配有滚珠21，滚珠下方设有进给螺套，进给螺套下端设有与其相联成一体的齿轮，齿轮与一齿轮驱动机构啮合，使得进给 螺套能沿支撑管内孔的轴向上下移动，通过滚珠和压圏的作用，来调节两个0
型密封圈17、 19对被密封件的压紧度，以实现水下不同外压情况下的周向密封； 齿轮驱动机构由驱动齿轮20和密封电机组成。光电探测头下端经由回转座与安 设在支撑管内的竖直回转驱动装置相连，所述的竖直回转驱动装置包括与转子 相联的方位轴11和力矩电机12，方位轴的上端与回转座4相连接，驱动回转座 旋转，方位轴的下端配置有旋转变压器14和导电滑环13,导电滑环与信号线和 动力线相接。竖直回转驱动装置驱动光电探测头绕竖直回转轴线旋转来调整观 察警戒的方位。
本发明的光电传感器光轴斜置的潜艇光电警戒设备的主体部分是在潜望深 度露出水面工作的光电成像探测装置，支撑管长度依据潜艇潜望力决定，光电 成像探测系统还包括电源模块和显控台，电源模块和显控台置于潜艇餘内，为 潜艇舱内标准化装置(或模块)。
现有潜用光电装备普遍采用上述方位转动轴和俯仰转动轴的两轴式设计。 为了实现稳定观察或对目标的跟踪瞄准，大多采用数字平台得到两轴的随动控 制，数字平台即所谓的多坐标系变换模型，需要以潜艇水平姿态基准的摇摆角 为输入。本发明实施例传感器光轴斜置20°使得两轴的随动控制数字平台不同 于现有潜用光电装备，其数学模型的推导如下
参见图5所示，建立传感器光轴斜置时的多坐标变换方程并解算方位轴、 俯仰轴是实现瞄准线稳定控制的前提。坐标系及符号定义如下。
地平坐标系。-x。_y。z;-^手螺旋坐标系，气轴平行于载体艏艉线且指向
艏向；似。轴水平指向载体右舷；oz。轴指向天顶方向。
曱板坐标系。-;cj(A-^手螺旋坐标系，qyf轴平行于载体艏艉线且指向艏向；a^轴指向载体右舷；A轴与载体曱板面垂直。
传感器坐标系o'-xyz-右手螺旋坐标系，与装备传感器固结，坐标原
点置于反射镜回转中心；A轴与反射镜回转轴一致；o'z轴与传感器光轴一致； 平面与装备观测面 一致。
参考坐标系o,-XAZt——右手螺旋坐标系，与光电扫描头固结，随同光电
扫描头一起回转。。^轴平行于反射镜的回转轴；。^轴与光电扫描头的竖直回转 轴一致；。,w,平面与装备观测面一致。
尸-动载体纵摇角，动载体艏向抬高为正。
-动载体横摇角，动载体右舷下倾为正。
《-光电扫描头转过方位角，自载体艏向算起，顺时针为正。
A -反射镜俯仰角，在载体曱板面以上为正。
a《-实现视场稳定时的方位轴补偿角量。
a力-实现^L场稳定时的俯仰轴补偿角量，aa值为正时，反射镜绕似轴
顺时针调整，M值为负时，反射镜绕o义轴逆时针调整，调整角量为(A + ^)^。
〃-传感器光轴与光电扫描头的竖直回转轴的斜置角，P = 20° 。
Z-^入射光线向量；Z'-出射光线向量。
5-^象偏转向量；
亙'-瞄准线稳定时，K在传感器成像面内的投影。
m-平面镜的反射矩阵。
^--平面反射镜的法线向量。
-实现视场稳定时的电子消像转角量。
多坐标变换矩阵方程为Z'二A/G。^人z^+勿^^^^叫,pZ (1) 5'二MG。^/。Zc,q+ 5^』5^'尸5 ( 2 )
由公式(1)可以求解实现瞄准线稳定的方位轴和俯仰轴偏差补偿角量；由 公式(2 )可以求得像旋转角量。 在公式(1 )、 ( 2 )中
& 、 ——动载体的纵、横摇变换矩阵，变换方向为静坐标系(地平 坐标系) 动坐标系(动载体曱板坐标系)
人, ——方位补偿转动变换矩阵，在载体曱板坐标系转动光电探测头方 位轴向目标方向补偿运动。
G。"——传感器光轴斜置20°的补偿矩阵(动载体曱板坐标系。-xjA
传感器坐标系o'-;^得变换矩阵)
多坐标变换方程解为
cos i cosh sin《+ sin i sin户cosh cos《—sin cos尸sinh
勿=arctan A/z = arctan
《
cos P cosh cos g + sin _P sinh
sin(70。 +A+ △//)) 7 ，A。
——)-^ —/i —70
cos(700 + /z + A化
△0 = arcc。s{sin(g + Ag)[sinPcosh-cosPsinhcos《]—cos(g + Ag)[cosi sinh sing
+
sin i sin P sinh cos《+sin 7 cos尸cosh] }
权利要求
1、一种高仰角潜艇光电警戒探测装置，包括光电探测头和与光电探测头密封相连的支撑管，光电探测头主要由耐压外壳、光电成像探测装置组成，所述的光电成像探测装置包括矩形平面耐压保护光学窗口、俯仰反射镜和光电传感器，光电探测头下端与安设在支撑管内的竖直回转驱动装置相连，其特征在于所述的光电成像探测装置的光电传感器光轴相对竖直回转轴线倾斜，倾斜角度范围为10°～30°。
2、 按权利要求1所述的高仰角潜艇光电警戒探测装置，其特征在 于所述的光电探测头通过密封装置与支撑管密封相连，所述的密封装置 包括端面动密封装置和周向密封装置，构成双重密封装置。
3、 按权利要求2所述的高仰角潜艇光电警戒探测装置，其特征在 于所述的周向密封装置配置有密封圈自动压紧装置。
4、 按权利要求1或2所述的高仰角潜艇光电警戒探测装置，其特 征在于所述的光电传感器包括光学镜头和红外探测器，或者光学镜头和 可见光CCD。
5、 按权利要求1或2所述的高仰角潜艇光电警戒探测装置，其特 征在于所述的竖直回转驱动装置包括与转子相联的方位轴和力矩电机， 方位轴的下端配置有;^走转变压器和导电滑环。
6、 按权利要求3所述的高仰角潜艇光电警戒探测装置，其特征在 于在周向密封装置下方配置有密封圈自动压紧装置，密封圈自动压紧装 置包括设置在0型密封圏下端的压圏，压圈的下端配有滚珠，滚珠下方 设有进给螺套，进给螺套下端设有与其相联成一体的齿轮，齿轮与一齿 轮驱动机构啮合。
7、 按权利要求1或2所述的高仰角潜艇光电警戒探测装置，其特 征在于矩形平面耐压保护光学窗口安设在耐压外壳的上端一侧，由矩形 窗口玻璃、压圈和密封垫圈构成，密封垫圈设置在矩形窗口玻璃的内外 端面；俯仰反射镜安设在耐压外壳内的上端，与矩形平面耐压保护光学 窗口相对应；在耐压外壳内下方安设光电传感器。
8、 按权利要求1所述的高仰角潜艇光电警戒探测装置，其特征在 于所述光电成像探测装置的光电传感器光轴相对竖直回转驱动装置的 回转轴线倾斜20。，矩形平面耐压保护光学窗口也向上摆转相应角度。
全文摘要
本发明涉及一种高仰角、大空域潜艇用光电警戒探测装置，包括光电探测头和与光电探测头密封相连的支撑管，光电探测头主要由耐压外壳、光电成像探测装置组成，所述的光电成像探测装置包括矩形平面耐压保护光学窗口、俯仰反射镜和光电传感器，光电探测头下端与安设在支撑管内的竖直回转驱动装置相连，其特征在于所述的光电成像探测装置的光电传感器光轴相对竖直回转轴线倾斜，倾斜角度范围为10°～30°。本发明的有益效果在于1.通过较为简单的结构变化，有效提高了潜用光电警戒探测设备的警戒探测高度空域范围；2.密封装置为双重密封结构，具有结构紧凑、体积小、可靠性高的特点。
文档编号B63G8/38GK101624091SQ20081004838
公开日2010年1月13日 申请日期2008年7月11日 优先权日2008年7月11日
发明者刘和平, 刘建东, 健 张, 平 李 申请人:中国船舶重工集团公司第七一七研究所