孫景旭，孫 斌，張星祥，任建偉，陳長征，任建岳

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；

2.中國科學院研究生院，北京100039）

車載紅外探測設備的光機結構設計

孫景旭1，2，孫 斌1，張星祥1，任建偉1，陳長征1，任建岳1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；

2.中國科學院研究生院，北京100039）

為了實現(xiàn)空氣質量的實時監(jiān)測，設計了一種車載紅外探測設備的光機結構。該結構采用大孔徑、無焦反射式光學系統(tǒng)，即高精度掃描反射鏡實現(xiàn)了方位和俯仰0～360°掃描。通過有限元方法對系統(tǒng)進行靜力學分析，結果滿足光機結構設計要求。用錘擊法對樣機進行了模態(tài)測試，并對車載環(huán)境下的設備進行了振動實驗。結果表明，光機結構一階頻率為52 Hz，相對于車載環(huán)境的12.5 Hz具有足夠的動態(tài)剛度及結構穩(wěn)定性，可保證該設備正常工作。

車載紅外探測設備；光機結構；實時監(jiān)測；環(huán)境監(jiān)測；模態(tài)；動態(tài)剛度

1 引 言

國內開展空氣污染遠距離檢測技術研究起步要比國外晚。70年代末，開展了激光毒劑報警技術探索性研究，研制了激光長程雙端測試系統(tǒng)，但未實用化。80年代中后期，經(jīng)過國內專家全面論證，確定我國以被動紅外技術作為主攻方向。目前，隨著我國綜合國力的不斷提高和國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，開展大氣污染遠距離檢測技術研究有著重要的現(xiàn)實意義和科學價值。

國內對氣體檢測的研究已有一定的歷史，也取得了較大的進展。對于研制新型的檢測系統(tǒng)，用新的檢測方法去研究新的探測器以適應場所的需要是今后的研究熱點。目前大氣污染檢測需要先采集大氣樣品，然后送到實驗室，通過各種方法檢測其成分，然后通過固定的大氣監(jiān)測網(wǎng)絡才能夠實現(xiàn)實時檢測。在日益注重空氣質量的今天，非常需要靈活的機動設備以實現(xiàn)空氣質量的實時檢測［1］。

因此，針對遠距離空氣質量檢測，本文對車載紅外探測設備進行了研究，設計了該設備的光機結構。考慮設備正常運行過程中，會受到來自車載沖擊和振動環(huán)境的影響，對系統(tǒng)進行了靜力學分析和振動實驗。結果表明，該系統(tǒng)具有足夠的動態(tài)剛度和結構穩(wěn)定性，可滿足紅外探測設備的要求。

2 工作原理

氣體污染物紅外遙測鑒別系統(tǒng)工作原理是，首先通過高精度掃描機構進行二維空間掃描，收集氣體污染物發(fā)出的紅外輻射，進行信息預處理和信號鑒別，然后將結果送入探測器進行光譜分析。顯示界面用來指示氣體污染物的方位、種類及其含量，為環(huán)境監(jiān)測部門提供準確的氣體污染鑒別信息。如圖1所示。

圖1 工作原理

3 光機結構設計

為保證車載環(huán)境下光機結構的安全及位置精度，確保良好成像和獲得較高的探測目標能量，探測設備的結構必須具有良好的穩(wěn)定性。探測設備對光機結構的要求主要體現(xiàn)在：

（1）足夠的強度支撐光學系統(tǒng)，并能實現(xiàn)水平和方位0～360°掃描；

（2）足夠的剛度來保證系統(tǒng)工作時的定位精度和穩(wěn)定性；

（3）適應車載的沖擊和振動環(huán)境，使設備通過光機結構獲取適合探測目的的穩(wěn)定光束。

3.1 光學系統(tǒng)

紅外光學系統(tǒng)是紅外探測［2］設備的重要組成部分，紅外系統(tǒng)的主要作用如下：

（1）收集并接收目標的紅外輻射能量；（2）確定目標的方位；

（3）實現(xiàn)大視場捕獲目標與成像。

紅外探測光學系統(tǒng)主要有折射式、反射式和折反射式［3］，其主要特點如表1所示。

表1 紅外熱成像光學系統(tǒng)Tab.1 Optical system of in frared thermal imaging

對于紅外探測設備的光機系統(tǒng)來說，光學系統(tǒng)的選型是十分重要的。為了獲得較高的探測能量以及盡量減輕探測設備的體積和重量，本探測設備應用的是反射式物鏡中的卡塞格林系統(tǒng)。

卡塞格林系統(tǒng)由拋物面主鏡和雙曲面次鏡組成，次鏡位于主鏡焦點之內。雙曲面鏡的一個焦點與拋物面鏡的焦點重合，則雙曲面的另一個焦點便是整個系統(tǒng)的焦點。這種情況下系統(tǒng)對無窮遠軸上點是沒有像差的［4］。

該設備的光學系統(tǒng)如圖2，它由掃描反射鏡、主鏡、次鏡、三反鏡組成。

圖2 光學系統(tǒng)結構

雜散光是光學系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱，產(chǎn)生于漏光、透射光學表面的殘余反射和鏡筒內壁等非光學表面的殘余反射，以及由于光學表面質量問題產(chǎn)生的散射光，而紅外光學系統(tǒng)還有因系統(tǒng)自身熱輻射產(chǎn)生的雜散光。通過各鏡面鍍金以增加反射率，鏡筒設消雜光槽，各壓圈設消雜光螺紋及內壁涂消雜光漆，能最大限度地消除雜光。

3.2 瞄準系統(tǒng)

為了對遠處目標取景成像，在掃描反射鏡正對通光孔位置處放置攝像頭。為了同掃描反射鏡對準同一目標，該攝像頭隨著掃描反射鏡一起運動，從而與光學系統(tǒng)成像目標完全一致，以便同時獲得被測對象的可見光圖像與紅外圖像。該系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 瞄準系統(tǒng)

3.3 機械結構

3.3.1 整體結構

空間二維掃描望遠系統(tǒng)主要由俯仰掃描部件、方位掃描部件、反射鏡部件、隔振部件等組成，各部件之間采用圓柱定位、螺釘緊固的連接方式，以達到方便安裝、調試和維修的目的。在保證強度的情況下，除零件設計時進行了輕量化處理外，還采用了鎂鋁合金材料以進一步減輕整個望遠鏡的重量。整體結構如圖4所示。

圖4 整體結構

3.3.2 高精度二維掃描結構

空間二維掃描反射鏡是為車載氣體污染物紅外遙測鑒別系統(tǒng)設計的紅外望遠鏡系統(tǒng)，它的工作波段為1～15μm，主要作用是在進行二維掃描過程中，為探測器收集遠距離大面積云團的紅外輻射。該設備機械結構部分如圖5。

考慮到渦輪蝸桿結構單級傳動比大、結構緊湊、傳動平穩(wěn)、無噪聲，并且具有良好的自鎖性能，整機通過兩套渦輪蝸桿結構實現(xiàn)水平和俯仰0～360°掃描，其中渦輪蝸桿1用來保證0～360°俯仰掃描，渦輪蝸桿2用來實現(xiàn)0～360°水平掃描。為了實現(xiàn)360°無限制旋轉，該結構采用導電環(huán)結構，以便在避免導線的纏繞，實現(xiàn)功能的同時，又能夠使布線結構簡單可靠。為了得到總視場中出現(xiàn)景物的熱圖像，必須對景物掃描。紅外探測儀器的主要掃描方式為45°平面反射鏡在垂直于光軸的平面內旋轉掃描（45°鏡掃描），平面反射鏡在由光軸和儀器高度軸組成的平面內旋轉掃描（搖掃），平面反射鏡擺動掃描（擺掃），沿軌掃描以及望遠鏡旋轉掃描（望遠鏡掃描）。此外還有圓錐掃描與光楔掃描等方式。

圖5 高精度二維掃描結構

本文所述設備是由45°掃描反射鏡繞x軸旋轉來實現(xiàn)的，這種方式控制簡單，運行平穩(wěn)，掃描鏡尺寸?。?］。

3.3.3 隔振結構

車載情況下，設備會受到垂向沖擊和側向沖擊載荷，直接使紅外探測設備的探測效果降低。為了減緩沖擊以及隔振，在設備底部相對距離較大的位置安放了4個具有垂向支撐和穩(wěn)定作用的隔振器。在設備側部相對距離較大的位置安放了8個用于設備穩(wěn)定效用的隔振器。在保證系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的前提下盡量降低系統(tǒng)峰值響應頻率，保持強度條件下選用了隔振器，從而使系統(tǒng)在承受最大安全沖擊條件下具備隔振性能。在彈性變形過程中，隔振器在空間任意方向動載荷的作用下產(chǎn)生彈性動變形，大量吸收和消耗系統(tǒng)的振動能量。當設備受到大沖擊干擾時，隔振器的非線性軟化型剛度和大彈性變形能力使系統(tǒng)的沖擊能量被大量吸收并延時釋放，從而有效地削弱了系統(tǒng)沖擊強度。

選用的隔振器具體技術參數(shù)如表2。隔振箱結構如圖6。

表2 所選隔振器技術參數(shù)表Tab.2 Technical data of selected vibration isolators

圖6 隔振箱結構

4 結構分析與測試

4.1 靜力學分析

通常，人們十分關注主鏡的支承方式與結構問題（標準平面鏡的支承問題與此類似），其原因是如果支承方式與結構選擇不當，會引起反射鏡變形，最終大大降低望遠鏡的性能。

引起變形的原因是：

（1）反射鏡自身的重力。反射鏡在結構支承下，由于自重作用產(chǎn)生變形，引起高精度工作表面（反射面）變形，使面形性能下降；

（2）支承方式與結構的影響。設備的殼體結構在外部因素（如壓力、溫度、結構安裝等）作用下會產(chǎn)生變形和內應力，并通過支承結構傳遞到主鏡上，引起主鏡偏轉和變形，使設備性能下降［6］。

光機結構有限元模型如圖7。結合標準球面擬合法計算光機結構中主次鏡在自重以及均勻溫升下鏡面PV值與RMS值，結果數(shù)據(jù)如表3。

圖7 光機系統(tǒng)有限元模型

表3 系統(tǒng)主次鏡在Y向自重及5℃溫升作用下的鏡面面形（nm）Tab.3 Surface shapes of primary and secondary m irrors under the action of Y-weight and 5℃temperature rise（nm）

從表3可以看出，在自重和5℃溫升下，光機結構中紅外望遠鏡組件的主次鏡面形精度完全符合指標要求。

4.2 振動特性

該設備在進行紅外探測過程中，車載環(huán)境下的沖擊和振動載荷會直接影響到設備光機結構穩(wěn)定性，為了維持設備正常運行，對該結構進行振動特性［7］分析是很有必要的。

車載紅外探測設備在進行紅外探測過程中，由于地面的不平整使設備受到的地面隨機激勵是其所承受的重要動力學載荷。紅外探測設備可能會因此產(chǎn)生過度振動從而導致設備結構破壞或發(fā)生動態(tài)疲勞破壞，使紅外探測設備發(fā)生功能損壞，導致紅外探測失敗。所以，有必要對車載紅外探測設備進行振動分析，獲得紅外探測設備所受的沖擊載荷響應，從而估算出紅外探測設備所受的疲勞損傷，使紅外探測設備獲得理想的紅外圖像，更好地應用于空氣質量的檢測。

所用光學系統(tǒng)屬于同軸系統(tǒng)，其各反射鏡定位、安裝較離軸光學系統(tǒng)［8］具有較大的優(yōu)越性，其次鏡通常屬于中小型反射鏡，一般通過桿系結構與儀器本體相聯(lián)接并固定。這些反射鏡的面形精度通?？梢詽M足光學系統(tǒng)成像的要求，但由于桿及桿系的結構特點，以及桿的材料選取，次鏡結構系統(tǒng)的剛度很低，動態(tài)穩(wěn)定性有可能達不到設計要求。為保證紅外探測器的成像質量，要求這種系統(tǒng)結構必須具有良好的動態(tài)剛度，使紅外探測器工作時，在外界機械擾動下不抖動、不顫振、不與載體產(chǎn)生共振、不失穩(wěn)，所以在采用桿系結構作為支撐方案的探測器中，除保證桿結構具有良好的穩(wěn)定性外，還必須保證其具有較高的固有頻率。為使其固有頻率避開外界激勵頻率，有必要對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性進行分析。

（1）模態(tài)測試

模態(tài)測試系統(tǒng)如圖8。

圖8 模態(tài)測試系統(tǒng)

結果如圖9所示。

（2）車載條件下具有隔振系統(tǒng)的紅外探測設備的振動加速度響應，如圖10、圖11、圖12所示。

通過對具有隔振系統(tǒng)的車載探測器整機的振動試驗，可以得出如下結果：

探測器一階固有頻率在52 Hz，相對車載環(huán)境和外界干擾頻率而言，具有足夠的動態(tài)剛度，可以保證紅外探測器獲得穩(wěn)定光束，確保設備的正常運行。

圖9 錘擊法模態(tài)測試結果

圖10 x向加速度響應

圖11 y向加速度響應

圖12 z向加速度響應

5 結 論

本文設計了一種車載紅外探測設備的光機結構，采用高精度掃描反射鏡實現(xiàn)了水平和俯仰0～360°的掃描，滿足了紅外探測設備的要求。對該結構中的光學系統(tǒng)部分做了詳細說明，利用有限元方法進行靜力學分析，得出的結果說明主次鏡面形完全滿足光學設計的要求；通過振動特性的分析，提出了一種解決方案，即在設備的底部和側部加載隔振器，滿足車載環(huán)境的要求，從而可以保證紅外設備的正常探測工作。

［1］李蘭，沈光地，鄒德恕，等.新型室溫微機械紅外探測器原理與設計［J］.光電工程，2004，31（2）：34-36.LIL，SH G D，ZOU D SH，etal..Principle and design of IR detector for a novel room temperature MEMS［J］.Opto-electronic Eng.，2004，31（2）：34-36.（in Chinese）

［2］張偉，曹移明，叢明煜，等.基于雜波模型的天基目標紅外探測波段選擇［J］.光學精密工程，2010，18（2）：341-348.ZHANGW，CAO Y M，CONGM Y，etal..Band selection for space-based infrared target detection using background cluttermodel［J］.Opt.Precision Eng.，2010，18（2）：341-348.

［3］徐之海，李奇.現(xiàn)代成像系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.XU ZH H，LIQ.Modern Imaging Systems［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2001.（in Chinese）

［4］陳海清.現(xiàn)代實用光學系統(tǒng)［M］.武漢：華中科技大學出版社，2003.CHEN H Q.Modern Practical Optical System［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2003.（in Chinese）

［5］姜景山.空間科學與應用［M］.北京：科學出版社，2001.JIANG JSH.Space Science and Application［M］.Beijing：Science Press，2001.（in Chinese）

［6］廖知春.平行光管反射鏡的支承結構［J］.航天返回與遙感，2003，24（1）：19-23.LIAO ZH CH.Themounting structure of reflectionmirror in collimater［J］.Spacecraft Recovery＆Remote Sensing，2003，24（1）：19-23.（in Chinese）

［7］鄒春平，陳端石，華宏星.船舶結構振動特性研究［J］.船舶力學，2003，7（2）：102-115.ZOU CH P，CHEN D SH，HUA H X.Study on structural vibration charateristics of ship［J］.J.Ship Mechanics，2003，7（2）：102-115.（in ChineseS）

［8］馬軍，何煦，居波，等.泰曼-格林型靜態(tài)便攜式干涉儀的設計［J］.光學精密工程，2008，17（12）：2524-2530.MA J，HE X，JU B，et al..Design of portable static state Tyman-Green interferometer［J］.Opt.and Precision Eng.，2008，17（12）：2524-2530.（in Chinese）

Design of optical and mechanical structure of on-truck infrared detection equipment

SUN Jing-xu1，2，SUN Bin1，ZHANG Xing-xiang1，REN Jian-wei1，CHEN Chang-zheng1，REN Jian-yue1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

In order to test the air quality in real-time，an optical andmechanical structure of on-truck infrared detection equipment is designed.Using large aperture optical system，high precision scanning structure and unfocus reflecting telescope，the system achieves0-360°scanning in orientation and pitching.The structural static analysis of the system is performed using finite elementmethod and the resultsmeet the optical and mechanical design requirements.A modal test is done by hammer beatmethod and a vibration test is carried out under the on-truck environment.Comparing the two results above，the first-order frequency of the optical and mechanical structure is 52 Hz，which has sufficient dynamic stiffness corresponding to the 12.5 Hz in the ontruck environment and can ensure the stable operation of infrared detection devices.

on-truck infrared detection equipment；optical and mechanical structure；real-time test；environmental test；mode；dynamic stiffness

國家863高技術研究發(fā)展計劃資助項目（863-2-5-1-13B）

TN219；X831

A

1674-2915（2010）04-0397-07

2010-04-17；

2010-06-23

孫景旭（1984—），男，山東聊城人，碩士研究生，主要從事空間光學遙感器機械結構設計及CAD/CAE工程分析等方面的研究。Email：sunjingxu2004＠163.com

任建岳（1952—），男，吉林長春人，研究員，博士生導師，主要從事光機結構總體設計及有限元分析等方面的研究。

張星祥（1977—），男，云南大理人，副研究員，主要從事空間光機電一體化等方面的研究。