本发明涉及一种车载光学系统环境载荷影响机理分析方法及其试验系统，属于车载光学系统环境载荷影响分析技术领域。
背景技术：
车载光学系统是信息化战争中搜索、观察和瞄准目标的精密设备，已经成为武器装备精确瞄准、跟踪与全方位精确打击的关键部件；然而，由于工作环境条件比较恶劣，武器装备性能受环境因素影响日益突出，尤其是高精度光学系统，受到外界环境的影响更加剧烈。
外界振动载荷对车载瞄准镜的瞄准精度具有严重影响，比如随机振动导致的车载光学系统机械结构疲劳损伤，瞬态冲击振动引起的光学系统结构连接处的高强度应变应力；又如，坦克等装甲车辆在行驶过程中发生摔车事故时，瞬间产生巨大的冲击载荷，可能导致光学系统玻璃镜片破碎或产生裂纹等，以及冲击引起车载光学系统内部镜片发生刚性位移，进而影响光学系统的成像质量。
与动态载荷振动相比，温度载荷属于静态载荷，其对光学系统性能的影响不会立刻表现出来，但久而久之温度载荷产生的内应力等对光电系统也具有严重影响，主要体现在以下几个方面：一是由于光学系统结构之间的热膨胀系数存在差异，当环境温度均匀变化时会引起光学元件内部产生应力应变；二是光学玻璃材料导热性能较差，会在光学元件内部形成温度梯度，导致镜片面形等尺寸结构发生变化，进而影响成像质量；总之，温度载荷会使车载光学系统的结构参数发生变化，影响装备的可靠性和环境适应性；因此有必要针对环境载荷对光学系统的影响机理进行深入研究，获得其在振动与温度载荷作用下的影响规律，为车载瞄准镜的结构优化设计及性能评估提供参考，提高车载光学系统的环境适应性和工作可靠性。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提出了一种车载光学系统环境载荷影响机理分析方法及其试验系统，用以探索车载光学系统内部金属反射镜、玻璃透镜等精密光学元件在振动冲击、高低温等复杂环境载荷下影响规律，优化车载光学系统结构设计。
本发明的车载光学系统环境载荷影响机理分析方法，所述方法为：利用试验模态分析、正弦扫频试验、随机振动试验和瞬态冲击试验获取光学系统中金属主反射镜的动力学响应，利用高低温试验获取玻璃透镜的热响应，分析不同环境载荷对车载光学系统的影响，以探索环境载荷对光学元件的影响规律。
进一步地，所述方法其具体操作步骤如下：
步骤一，模态试验：首先对光学系统主反射镜进行模态试验分析，试验采用不测力法测试，提取主反射镜的结构固有频率、振型和阻尼；试验中利用锤击激励模拟环境激励，为得到较高频率的响应，选择不锈钢锤头施加随机激励，测量结构各点的响应，利用软件的频响函数分析模块计算得到各点频响函数数据；在主反射镜表面一共设置了34个测点；试验选取测点28为参考点，做了7个批次，前6个批次每批次同时使用6个传感器采集6个测点的信号，第7批次测了4个点，并给每个批次传感器粘结测点进行编号；
步骤二，正弦扫频试验：将被测反射镜及框架通过四颗螺母固定在试验振动台上，根据需要在试验振动台和反射镜的相应部位粘贴压电传感器；利用振动软件设置载荷条件；启动振动装置，开始试验，获得主反射镜扫频目标图谱和x、y、z三个方向传递特性曲线；
步骤三，随机振动试验：主反射镜镜片朝上水平固定安装在镜架上，随机振动试验共设置5个测点；按照试验载荷条件在z向进行随机振动试验，多通道信号采集系统的数据采集仪器共用了5个通道测试不同位置的信号，对应测点分别为ch1，ch2，ch3，ch4，ch5，其中ch6为试验振动台面的输入信号测点，得到主反射镜6个测点随机振动功率谱密度响应曲线；
步骤四，冲击试验：在主反射镜表面选取6个测试点，粘贴应变片，测量冲击过程中的应力值，并获取各个测点的应力响应曲线；
步骤五，高低温试验：试验对象为某型车载瞄准镜目镜单元部件，其所采用的材料与实际装备一样；利用b-711胶水将应变片粘贴在需要测量的镜片上，然后将瞄准镜目镜部件放入lk-150g可程式恒温恒湿试验箱，根据装备工作的环境条件，将试验温度范围设置为-40℃~50℃，启动计算机和应变采集软件，待温度达到要求并稳定后，开始采集数据；分别测量-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃温度场下的应变量，获得特定温度场下镜片应变量随时间的变化规律。
本发明的车载光学系统环境载荷影响机理分析试验系统，包括多个试验设备，及安装于试验设备中的车载光线系统试件，及粘贴于车载光线系统试件表面的多块应变片，及安装于车载光线系统试件表面的加速度传感器；所述应变片和加速度传感器分别通过多通道信号采集系统电连接至计算机；所述试验设备由振动和冲击试验系统和可程式恒温恒湿试验箱组成；所述振动和冲击试验系统包括试验振动台，及与试验振动台活动安装的力锤；所述力锤传动连接有动力机构，力锤由电动或气动的动力机构进行驱动，分别可对应进行电动振动试验和气动垂直冲击试验，具体包括脉冲波扫频试验、随机振动试验和瞬态冲击试验；所述车载光线系统试件分别通过夹持组件固定于振动和冲击试验系统的试验振动台和可程式恒温恒湿试验箱中，其中，试验台试验振动台最大负载50kg，工作台面尺寸500mm×500mm，冲击沿垂直方向，脉冲波形为半正弦、后峰锯齿、梯形，峰值加速度150~5000m/s2，脉冲持续时间40~1.5ms，最大碰撞频次为100次/分；力锤量程为5kn，灵敏度为4pc/n，力锤长度为220mm，输出接头为l5，锤头材质为橡胶；可程式恒温恒湿试验箱温度范围：-40℃~150℃，湿度范围：20%rh~98%rh，温湿度控制精度：±0.5℃；±3%rh，温湿度分布均匀：±2℃；±5%rh，加温时间：从室温至150℃时，约40分钟（无负载状态下），降温时间：从室温至-40℃时，约65分钟（无负载状态下），内箱测试区尺寸：50cm×60cm×50cm（w×h×d），测试箱门：60cm×70cm（w×h），共1扇。
进一步地，所述车载光线系统试件包括金属材质的主反射镜和玻璃材质的光学透镜。
进一步地，所述应变片为电阻应变片，其由电阻丝、基底、覆盖层和引线组成；所述应变片、桥式应变传感器及其外围电路组成用于测量电路板重要元器件安装位置附近表面横向及纵向的动态应变以及元器件本身表面横向和纵向动态应变的桥式电路，供桥电压可在±1v、±2.5v、±5v、±12v分档切换，供桥电压精度为0.1%，供桥电压稳定度小于0.05%/小时，供桥电压最大输出电流50ma，电阻应变片的阻值范围为50ω~10000ω，桥路方式采用三线制1/4桥，应变满度值范围为：±3000
进一步地，所述加速度传感器包括微型压电式加速度传感器和单向振动压电传感器；所述微型压电式加速度传感器安装于主反射镜表面；所述单向振动压电传感器安装于主反射镜表面及试验振动台其台面上，微型压电式加速度传感器可测试车载光学系统主反射镜表面加速度响应，传感器灵敏度为0.15pc/ms-2，最大测量加速度为20000m/s2，频率范围为1-20khz，重量仅为1g，通过粘贴方式安装，外形尺寸为φ6.6×7.6，适用于小型构件振动测量。
进一步地，所述多通道信号采集系统包括机箱，及安装于机箱内部的dsp主控模块、电源模块、数据采集处理模块、数据存储模块以及有线、无线网络数据通信模块；所述机箱其箱体上设置有传感器接口、充电器接口和以太网络接口，多通道信号采集系统的控制通讯方式有3种，而且可以实现无缝切换工作模式，其包括脱机工作和联机工作的有线、无线通信；脱机工作采用手动线控方式，可以通过专用线控装置或者面板按键手动控制数据采集与数据存储程序工作，实际工作时设备的采集参数会沿用最后一次配置，适用于空间不够、人手不足的试验测试场合；联机工作需在计算机与主控模块处于通讯状态下进行，包括有线网络通信与无线网络通信两种模式，可实现计算机远程设置数据采集处理设备的工作参数，实时显示和存储数据，便于在新型武器装备试验或实弹射击等危险环境下使用。
再进一步地，所述dsp主控模块包括tms320c6720模块及其外围电路，tms320c6720模块具有强大数据处理和高速运算的能力，该模块基于fpga技术进行硬件设计，并通过板载双口idt7132-ram程序存储器实现dsp的各种功能，包括控制传感器信号的采集、处理、存储，并与通信、电源管理以及人机接口等功能模块交互运行；对dsp的功能编程采用的是c++语言，dsp主程序主要实现与采样芯片ad7767的数据交换，完成采样数据的高速传输；完成采样通道的各种硬件配置；完成对网络传输模块的初始化、以太网、无线网数据包发送和接收等操作；所述电源模块由电源充电器、锂电池管理模块、数字部分电源、模拟部分电源和电源转换模块构成，锂电池管理模块，可管理电源模块为数字电路部分（dsp主控模块，含sd卡）与模拟电路部分（信号处理模块）供电，保证系统正常运行，电源模块可为采集处理设备提供±1v、±2.5v、±5v、±12v直流电源；一旦锂电池电量用完，可使用充电器接入220v/50hz市电给采集处理设备内部的锂电池充电，锂电池参数：标称值为7.2v，7000ma；所述电源转换模块由lm317lz电源转换芯片及其外围电路构成；所述数据采集处理模块由八组独立的a/d转换器及配套的实时信号调理系统构成；所述a/d转换器为14位的ad7767采样芯片，数据采集处理模块由8个通道组成，每通道均采用独立的a/d转换器及配套的实时信号调理系统，实现多通道同步并行采样，且采样速率不受通道数限制，通道间无串扰影响，并在dsp的控制下实现采集数据的存储与远程传输；数据采集模块根据传感器类型的不同，通过选配对应的适调器，可用于多种传感器信号的测量，包括加速度传感器和桥式应变传感器；输出电压满度值范围：±0.1v、±0.3v、±1v、±3v、±10v；传感器采集的模拟信号进入信号处理设备后，首先经过前置放大器进一步放大，信号经过放大器放大后，为防止干扰信号影响，需要对采集的模拟信号进行滤波，本模块器采用模拟与数字相结合原理设计了低通滤波器，最大程度地保留有用信号，去除干扰信号；信号经过滤波后接入a/d转换器，将模拟信号转化为数字信号，a/d转换器选用14位ad7767采样芯片，最大分析频宽100khz，动态范围达96db；信号由模拟信号转化为数字信号后，再通过主控系统存入sd卡，同时，每次采集完成后，数据也可以通过网络接口直接传输至采集计算机；所述数据存储模块包括由slcnandflash制成的sd卡，可满足武器装备试验等恶劣嵌入式系统应用设计要求，温度范围为-40℃到80℃，容量8g，峰值数据传输速度66.6mb/s；所述有线网络数据通信模块其通讯接口为rtl8139d模块，其通过20f001n模块经rj45接口网线与计算机电连接，用户可利用rj45接口网线将计算机与信号采集处理设备连接，通过设置计算机有线网络ip地址，实现与采集设备之间的数据传输，并可以远程设置采集参数并控制设备的采集触发、采集终止以及数据存储等；所述无线网络数据通信模块其通讯接口为rocketm2网络接口，其通过无线通信天线和路由器与计算机无线通信，工作时先设置计算机的无线网络ip地址，通过wifi无线网络实现与采集处理设备连接，远程设置采集参数，并控制采集停止与数据存储，使用7db天线时理论通信距离达100m，增加路由器后，其通信距离可增加到200m，满足野外火炮试验等环境对人员安全的要求。
作为优选的实施方案，所述机箱由8060硬质铝合金材料制成，其表面设有阳极涂层，提高其防静电和抗电磁干扰的能力。
进一步地，所述计算机由试验模态分析系统和动态数据采集分析系统构成，试验模态分析系统采用vc++编程设计，本系统提供了不测力法和侧力法两种基本模式，可对结构进行可控的动力学激励，分析出结构固有的动力学特性，包括振型、以及对应于每个振型的共振频率和描述模态振型中自由响应振动随时间衰减快慢的阻尼比；动态数据采集分析系统的应力应变测试模块与各种桥式传感器配合，可对力、压力、位移、速度、加速度等物理量进行精确测试，对各种电压信号进行精确测量。
本发明与现有技术相比较，本发明的车载光学系统环境载荷影响机理分析方法及其试验系统，用以探索车载光学系统内部金属反射镜、玻璃透镜等精密光学元件在振动冲击、高低温等复杂环境载荷下影响规律，优化车载光学系统结构设计；并通过对车载光学系统的振动与温度载荷试验研究，得到了车载瞄准镜主反射镜在各个振动载荷下的应力、加速度响应及光学透镜在均匀温度场载荷下的应力应变规律，为车载光电系统的结构优化设计提供科学指导和试验依据。
附图说明
图1为本发明的系统总体技术方案示意图。
图2为本发明的系统联接结构示意框图。
图3为本发明的车载光学系统模态试验分析方法的流程示意图。
图4为本发明的车载光学系统正弦扫频试验的流程示意图。
图5为本发明的车载光学系统随机振动试验的流程示意图。
图6为本发明的车载光学系统冲击试验的流程示意图。
图7为本发明的车载光学系统高低温试验的流程示意图。
图8为本发明的模态试验测点分布图。
图9为本发明的主反射镜前六阶振型图。
图10为本发明的正弦扫描目标谱图。
图11为本发明的x方向正弦扫描传递特性曲线。
图12为本发明的y方向正弦扫描传递特性曲线。
图13为本发明的z方向正弦扫描传递特性曲线。
图14为本发明的主反射镜测点的随机振动功率谱密度响应曲线。
图15为本发明的测点的应力响应曲线。
图16为本发明的热应变测量试验系统联接示意图。
图17为本发明的20℃~50℃的应变曲线。
图18为本发明的20℃~50℃的应力曲线。
图19为本发明的每个批次传感器粘结测点编号图。
图20为本发明的主反射镜前六阶固有频率和阻尼图。
图21为本发明的正弦扫描载荷条件图。
图22为本发明的随机振动载荷条件图。
图23为本发明的冲击载荷条件图。
附图中各部件标注为：1-多通道信号采集系统，11-dsp主控模块，12-电源模块，13-数据采集处理模块，14-数据存储模块，15-有线网络数据通信模块，16-无线网络数据通信模块，2-计算机，21-试验模态分析系统，22-动态数据采集分析系统，3-振动和冲击试验系统，31-试验振动台，4-可程式恒温恒湿试验箱，5-主反射镜，6-光学透镜，7-应变片，71-主反射镜应变片，72-工作应变片，73-补充应变片，8-加速度传感器，81-微型压电式加速度传感器，82-单向振动压电传感器。
具体实施方式
如图1和图2所示的车载光学系统环境载荷影响机理分析试验系统，包括多个试验设备，及安装于试验设备中的车载光线系统试件，及粘贴于车载光线系统试件表面的多块应变片7，及安装于车载光线系统试件表面的加速度传感器8；所述应变片和7加速度传感器8分别通过多通道信号采集系统1电连接至计算机2；所述试验设备由振动和冲击试验系统3和可程式恒温恒湿试验箱4组成；所述振动和冲击试验系统3包括试验振动台31，及与试验振动台31活动安装的力锤（未图示）；所述力锤传动连接有动力机构；所述车载光线系统试件分别通过夹持组件固定于振动和冲击试验系统的试验振动台和可程式恒温恒湿试验箱4中。
所述车载光线系统试件包括金属材质的主反射镜5和玻璃材质的光学透镜6。
所述应变片7为电阻应变片，其由电阻丝、基底、覆盖层和引线组成；所述应变片、桥式应变传感器及其外围电路组成用于测量电路板重要元器件安装位置附近表面横向及纵向的动态应变以及元器件本身表面横向和纵向动态应变的桥式电路。
所述加速度传感器8包括微型压电式加速度传感器81和单向振动压电传感器82；所述微型压电式加速度传感器81安装于主反射镜5表面；所述单向振动压电传感器82安装于主反射镜5表面及试验振动台31其台面上。
所述多通道信号采集系统1包括机箱，及安装于机箱内部的dsp主控模块11、电源模块12、数据采集处理模块13、数据存储模块14以及有线、无线网络数据通信模块15、16；所述机箱其箱体上设置有传感器接口、充电器接口和以太网络接口。
所述dsp主控模块11包括tms320c6720模块及其外围电路；
所述电源模块12由电源充电器、锂电池管理模块、数字部分电源、模拟部分电源和电源转换模块构成；所述电源转换模块由lm317lz电源转换芯片及其外围电路构成；
所述数据采集处理模块13由八组独立的a/d转换器及配套的实时信号调理系统构成；所述a/d转换器为14位的ad7767采样芯片；
所述数据存储模块14包括由slcnandflash制成的sd卡；
所述有线网络数据通信模块15其通讯接口为rtl8139d模块，其通过20f001n模块经rj45接口网线与计算机电连接；
所述无线网络数据通信模块16其通讯接口为rocketm2网络接口，其通过无线通信天线和路由器与计算机无线通信。
所述机箱由8060硬质铝合金材料制成，其表面设有阳极涂层。
所述计算机2由试验模态分析系统21和动态数据采集分析系统22构成。
本发明的车载光学系统环境载荷影响机理分析试验的实施，包括试验准备、试验实施、试验报告三部分；
（一）试验准备：
1、根据被测火炮、坦克类武器装备车载观瞄装置、车载激光测距仪等，选择测试的对象；
2、根据试验需要，在被选光学系统相应元器件表面选定相应测点，安装加速度传感器或者应变片；
3、利用专用信号电缆及相应的调理器，将各路振动冲击响应信号或应变响应信号输出与信号采集处理设备输入相连；
4、建立便携式加固计算机与多路信号采集处理设备之间的网络连接；手动线控时，直接通过信号采集处理设备线控面板配置采样参数、启动采样存储；有线通信时，先利用信号传输线（长度不大于50m）将设备以太网接口与计算机网络接口相连，再打开数据采集处理设备，等待“连接”、“通讯”和“采样”指示灯均灭后，打开计算机中的系统测控分析软件，输入与采集设备相同网段的ip地址，完成计算机ip地址设置，实现计算机与数据采集处理设备的的有线网络连接；无线通信时，先将通信天线安装到信号采集处理设备相应接口，同时确保计算机无线网络处于打开状态，其余步骤与有线通信类似，等待“连接”、“通讯”和“采样”指示灯均灭后，打开计算机中的系统测控分析软件，输入与采集设备相同网段的ip地址，实现计算机与数据采集处理设备的无线网络连接。
（二）试验实施：
1、如图3所示，模态试验时在主反射镜表面设置了34个测点，选取测点28为参考点，每批次同时使用6个加速度传感器采集6个测点的时域、频域响应信号（第7批次测了4个点）；
2、如图4所示，正弦扫频试验时在主反射镜表面和试验振动台各布置1个测点，同时使用两个加速度传感器采集两个测点的频谱信号，变换传感器粘贴的方向，共测量x、y、z三个方向的传递特性曲线；
3、如图5所示，随机振动试验在主反射镜表面布置5个测点，试验振动台布置1个测点，同时利用6个加速度传感器测量6个测点的信号，得到6个测点随机振动功率谱密度响应曲线。
4、如图6所示，冲击试验在主反射镜表面布置6个测点，同时利用6个应变片测量6个测点的信号，得到6个测点的应力响应曲线，且应变片分别横向、纵向粘贴在主反射镜表面，即为主反射镜应变片71；
5、如图7所示，高低温试验在玻璃透镜表面和补偿片表面各布置1个测点，即在玻璃透镜表面和补偿片表面各粘贴一应变片，包括工作应变片72和补充应变片73，同时利用2个应变片测量2个测点的信号，得到2个测点的应变差和应力差响应曲线；
（三）试验评估：
通过车载光学系统的振动与温度载荷试验研究，得到了车载瞄准镜主反射镜在各个振动载荷下的应力、加速度响应及光学透镜在均匀温度场载荷下的应力应变规律，为车载光电系统的结构优化设计提供科学指导和试验依据。
本发明的车载光学系统环境载荷影响机理分析方法，所述方法为：利用试验模态分析、正弦扫频试验、随机振动试验和瞬态冲击试验获取光学系统中金属主反射镜的动力学响应，利用高低温试验获取玻璃透镜的热响应，分析不同环境载荷对车载光学系统的影响，以探索环境载荷对光学元件的影响规律；其具体操作步骤如下：
步骤一，模态试验：首先对光学系统主反射镜进行模态试验分析，试验采用不测力法测试，提取主反射镜的结构固有频率、振型和阻尼；试验中利用锤击激励模拟环境激励，为得到较高频率的响应，选择不锈钢锤头施加随机激励，测量结构各点的响应，利用软件的频响函数分析模块计算得到各点频响函数数据；在主反射镜表面一共设置了34个测点，具体分布情况如图8所示；试验选取测点28为参考点，做了7个批次，每批次同时使用6个传感器采集6个测点的信号（第7批次测了4个点），如图19所示为每个批次传感器粘结测点编号，如图20所示为前六阶固有频率和阻尼，如图9所示为主反射镜前六阶振型图；
步骤二，正弦扫频试验：将被测反射镜及框架通过四颗螺母固定在试验振动台上，根据需要在试验振动台和反射镜的相应部位粘贴压电传感器；利用振动软件设置载荷条件，如图21所示为正弦扫描载荷条件；启动振动装置，开始试验，获得主反射镜扫频目标图谱和x、y、z三个方向传递特性曲线；如图10所示为正弦扫描目标谱图，如图11至图13所示为x、y、z三个方向正弦扫描传递特性曲线；
步骤三，随机振动试验：主反射镜镜片朝上水平固定安装在镜架上，随机振动试验共设置5个测点；按照试验载荷条件在z向进行随机振动试验，振动载荷条件如图22所示，多通道信号采集系统的数据采集仪器共用了5个通道测试不同位置的信号，对应测点分别为ch1，ch2，ch3，ch4，ch5，其中ch6为试验振动台面的输入信号测点；如图14所示为获得主反射镜6个测点随机振动功率谱密度响应曲线；
步骤四，冲击试验：在主反射镜表面选取6个测试点，粘贴应变片，测量冲击过程中的应力值；冲击载荷条件如图23所示；如图15所示为获取各个测点的应力响应曲线；
步骤五，高低温试验：试验对象为某型车载瞄准镜目镜单元部件，其所采用的材料与实际装备一样；利用b-711胶水将应变片粘贴在需要测量的镜片上，然后将瞄准镜目镜部件放入lk-150g可程式恒温恒湿试验箱，根据装备工作的环境条件，将试验温度范围设置为-40℃~50℃，启动计算机和应变采集软件，待温度达到要求并稳定后，开始采集数据；分别测量-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃温度场下的应变量，获得特定温度场下镜片应变量随时间的变化规律；试验系统示意图如图16所示，应变和应力变化曲线分别如图17、18所示；
本方法可分析车载光学系统在振动、温度等各类环境载荷下的响应规律，为车载光学系统的结构设计优化提供科学的试验数据支撑，为武器装备定型试验奠定基础。
上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。