萬 敏，唐躍峰

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，洛陽 471009）

0 引言

熱像觀瞄具在對活動目標(biāo)進(jìn)行搜索與瞄準(zhǔn)時，希望能夠同時提供高放大倍率的小視場圖像和低放大倍率的大視場圖像[1,2]。定焦系統(tǒng)難以滿足需要，連續(xù)變倍系統(tǒng)是最佳選擇，而紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)因受到光學(xué)材料、透過率、切換時間等方面的限制，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積/質(zhì)量偏大，其發(fā)展相對緩慢；目前國內(nèi)對紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的研究基本處于理論設(shè)計或試驗階段，對加工裝調(diào)后的紅外連續(xù)變焦鏡頭及其成像質(zhì)量還很少有相關(guān)報導(dǎo)[3]。與連續(xù)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)相比，多檔變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)更加簡潔而實用[4]，這也是國內(nèi)外吊艙內(nèi)所使用的熱像觀瞄具中經(jīng)常采用的方式[5]。

針對于多檔變倍紅外光學(xué)系統(tǒng)，一般有兩種變倍方式：鏡組移入移出光路的切換式變倍和鏡組沿光軸平行移動式變倍。后者因為通過沿光軸移動一組或多組透鏡來實現(xiàn)變倍，其光學(xué)透過率、視場切換時間、視場定位精度以及運動機(jī)構(gòu)的體積等方面均受到一定限制，國內(nèi)相關(guān)研究主要將其應(yīng)用于不太復(fù)雜的雙視場光學(xué)系統(tǒng)中，如文獻(xiàn)[4,6]中均是采用這種方式。為了更好的滿足光電吊艙對活動目標(biāo)進(jìn)行搜索與瞄準(zhǔn)，光電吊艙中的熱像觀瞄具大多采用3檔變倍，甚至更多[5]。傳統(tǒng)的多檔變倍光學(xué)系統(tǒng)中沿光軸徑向移入移出變倍鏡組的變倍機(jī)構(gòu)存在占用空間大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、變倍時間長等缺點[7]。本文中設(shè)計了一種兩光學(xué)鏡組繞同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)切入切出光路，利用直流微電機(jī)驅(qū)動，齒輪傳動配合同軸雙旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)熱像觀瞄具3個視場切換的裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，尤其是垂直于光軸方向尺寸小、切換速度快、定位可靠以及可重復(fù)性強(qiáng)、工作穩(wěn)定等顯著特點。

1 光學(xué)系統(tǒng)方案

本光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，通過切入、切出兩組光學(xué)部件實現(xiàn)紅外熱像儀三個視場的切換功能。當(dāng)一組透鏡切入光路，另一組透鏡切出光路時為紅外熱像儀的大視場，如圖2(a)所示；當(dāng)一組透鏡切出光路，另一組透鏡位于光路之中時為紅外熱像儀的中視場，如圖2(b)所示；當(dāng)兩組透鏡均切出光路時為紅外熱像儀的小視場，如圖2(c)所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)示意圖

圖2 大視場、中視場和小視場光學(xué)示意圖

2 機(jī)械構(gòu)型

典型的光電吊艙外形如圖3所示[5]。由于光電吊艙內(nèi)體積有限，且吊艙內(nèi)除安裝紅外傳感器外一般還需要安裝激光、電視(或稱可見光)等傳感器。典型的光電吊艙內(nèi)部空間布局如圖4(該吊艙為1995年由以色列Rafael軍備研發(fā)局先后與德國、美國North rop Grumman聯(lián)合開發(fā)的Litening Ⅲ目標(biāo)瞄準(zhǔn)與導(dǎo)航吊艙)所示[5]。因為受光電吊艙的球罩限制，且整個傳感器平臺需要在吊艙球罩內(nèi)進(jìn)行小幅度的內(nèi)方位、內(nèi)俯仰運動。因此，光電吊艙內(nèi)提供給紅外熱像儀的外形包絡(luò)空間通常有限。從圖4中可見，垂直于紅外傳感器安裝平面方向的尺寸較小，而熱像儀在設(shè)計時為了達(dá)到盡可能長的焦距，會盡量增大第一塊透鏡的口徑。而受系統(tǒng)空間限制，熱像儀的第一塊透鏡在增大有效口徑的同時，往往需要對透鏡進(jìn)行截邊，如圖4所示。為了保證光學(xué)系統(tǒng)通光量盡量大，要求位于第一塊透鏡之后的視場切換機(jī)構(gòu)盡量不攔光，這就給變倍機(jī)構(gòu)的設(shè)計增加了難度，尤其是在垂直于穩(wěn)定平臺方向的尺寸往往很難滿足光電吊艙所提供的空間尺寸要求。

圖3 FLIR系統(tǒng)海星SAFIREⅡ

圖4 Litening艙內(nèi)多傳感器布置

針對雙旋轉(zhuǎn)視場切換方案，參考文獻(xiàn)[2]中提出了一種采用直流微電機(jī)配合齒輪-錐齒輪以及凸輪運動的方式實現(xiàn)三視場的切換功能的方案，但該構(gòu)型在旋轉(zhuǎn)軸方向尺寸較大，且變倍透鏡鏡框懸臂較長，在過載以及振動環(huán)境下可能存在偏擺。本熱像儀光學(xué)構(gòu)型及機(jī)構(gòu)傳動方式均未采用該構(gòu)型。參考文獻(xiàn)[9]中提出了一種同軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的三檔變焦機(jī)構(gòu)，其兩個變倍組的轉(zhuǎn)動示意圖如圖5所示[9]。從圖中可見：1）該傳動機(jī)構(gòu)的中焦變倍組的固支端與短焦變倍組的固支端分別位于旋轉(zhuǎn)軸兩端，由于固支端軸承均為一對角軸承，厚度方向（即沿旋轉(zhuǎn)軸方向）尺寸較大；2）旋轉(zhuǎn)軸上的6個支撐軸承均沿旋轉(zhuǎn)軸方向疊加安裝，厚度尺寸較大；3）變倍鏡框旋轉(zhuǎn)軸上的傳動齒輪獨立設(shè)計，導(dǎo)致在旋轉(zhuǎn)軸兩端需要分別增加一個齒輪的厚度及鎖緊螺母的厚度。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)方案及吊艙中提供給熱像儀的包絡(luò)空間，參考文獻(xiàn)[9]中的設(shè)計方案無法滿足設(shè)計要求，尤其是在垂直于光軸方向的尺寸無法滿足要求。為了滿足系統(tǒng)切換速度快、定位準(zhǔn)確、質(zhì)量小、運行穩(wěn)定、可靠性高、空間緊湊等特點，同時，為有效減小變倍裝置在垂直于紅外傳感器安裝平面方向的尺寸，本設(shè)計方案中采用了利用齒輪傳動的同軸雙旋轉(zhuǎn)視場切換裝置。該裝置通過兩個直流微電機(jī)作為驅(qū)動元件，分別驅(qū)動一個視場部件繞同一旋轉(zhuǎn)軸運動，并配合非接觸式感應(yīng)開關(guān)實現(xiàn)熱像儀三個視場的切換功能，具體傳動原理如圖6、圖7所示。

圖5 某變倍機(jī)構(gòu)中兩個變倍組的轉(zhuǎn)動二維圖

圖6 機(jī)械傳動二維剖視圖

圖7 機(jī)械傳動二維圖

本構(gòu)型的機(jī)構(gòu)方案為：為了盡量減小變倍機(jī)構(gòu)沿旋轉(zhuǎn)軸方向的尺寸，1）大中視場固支端均設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸的同一側(cè)，避免兩端安裝時導(dǎo)致的在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)均需預(yù)留雙軸承的安裝空間；2）大中視場中的兩種支撐軸承沿直徑方向襯套安裝，避免沿軸承厚度方向疊加安裝時導(dǎo)致的沿旋轉(zhuǎn)軸方向尺寸過大；3）旋轉(zhuǎn)軸上的傳動齒輪與變倍鏡框一體設(shè)計，省去了額外增加的齒輪厚度及齒輪鎖緊螺母厚度。中視場鏡框通過上小軸與安裝在固定芯軸內(nèi)孔的小軸承內(nèi)圈配合，大視場鏡框通過安裝在其內(nèi)孔中的大軸承與固定芯軸的外圈配合，轉(zhuǎn)軸游動端通過下支架輔助支撐。由此，本機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)大視場鏡框隨大軸承外圈繞固定芯軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)熱像儀的大視場切換；中視場鏡框隨小軸承內(nèi)圈繞固定芯軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)熱像儀的中視場切換功能。

本構(gòu)型的傳動方案為：直流微電機(jī)分別通過小齒輪驅(qū)動大視場鏡框、中視場鏡框繞公共旋轉(zhuǎn)軸運動，初始位置時，當(dāng)大中視場鏡框均位于主光路之外時，為光學(xué)系統(tǒng)的小視場狀態(tài)；當(dāng)直流微電機(jī)驅(qū)動中視場鏡框旋轉(zhuǎn)90°，使鏡框兩端的兩片光學(xué)透鏡切入光路，此時大視場鏡框位于光路之外時，為光學(xué)系統(tǒng)的中視場狀態(tài)；當(dāng)同時驅(qū)動大視場鏡框旋轉(zhuǎn)90°切入光路，并讓另一電機(jī)驅(qū)動中視場鏡框旋轉(zhuǎn)90°，使中視場鏡框位于光路之外時，為光學(xué)系統(tǒng)的大視場狀態(tài)。

為了滿足該裝置在振動、沖擊等環(huán)境條件下的工作可靠性，本變倍裝置在視場限位處選用了外徑8mm，厚度3mm的永磁鐵為限位裝置。

3 設(shè)計選型

本變倍裝置中涉及的主要設(shè)計計算為變倍鏡框的配平（即：使大視場變倍部件、中視場變倍部件的重心均需處于變倍鏡框的旋轉(zhuǎn)中心軸上）和變倍裝置中電機(jī)的選型。

變倍鏡部件的配平主要是通過在變倍鏡框上添加相應(yīng)的配重塊來實現(xiàn)，主要是為了使熱像儀在進(jìn)行視場切換時保證熱像儀的重心不變，提高穩(wěn)瞄精度，該項工作主要通過UG軟件自帶的質(zhì)心分析工具來實現(xiàn)，其中具體計算不在此詳述。

3.1 磁力矩的計算

變倍電機(jī)的選型：由于本裝置定位主要依靠磁鐵與緊密限位螺釘間的吸附力來實現(xiàn)。通過實驗，本裝置中所使用的直徑為8mm，厚度為3mm的磁鐵與M6的緊密限位螺釘間的吸力如表1所示。為了即能夠滿足調(diào)整余量的需求，又滿足變倍裝置有充分的磁力吸附，本裝置中采用了定位螺釘與緊密吸附螺釘這樣按功能區(qū)分的定位與限位裝置，通過調(diào)節(jié)定位螺釘旋入的深度來調(diào)節(jié)定位的位置，通過調(diào)節(jié)緊密限位螺釘?shù)奈恢脕碚{(diào)整吸力大小。這樣既能夠滿足變倍裝置的精確定位，又能夠滿足緊密吸附的需求。初始設(shè)計狀態(tài)時設(shè)定緊密吸附螺釘與磁鐵間的距離為0.5mm，通過查表可得磁鐵對變倍機(jī)構(gòu)的吸力大小為3.6N，由于不同視場切換機(jī)構(gòu)對于磁鐵吸附點距離不同，取其中最大值81.3mm，因此磁鐵限位產(chǎn)生的最大磁力矩為292.68mN·m。

表1 磁鐵吸力測試結(jié)果

此外，還有外加摩擦力矩N1，不可預(yù)見力矩N2，則電機(jī)需求的總力矩為N，由此可得變倍電機(jī)所需的最小啟動力矩。根據(jù)此參數(shù)，然后結(jié)合系統(tǒng)提供的外形空間等因素既可以選擇相應(yīng)電機(jī)。

3.2 切換組件電機(jī)選型

考慮傳動過程中的摩擦力矩N1和不可預(yù)見力矩N2，其值分別估算為：

因此，傳動組件的負(fù)載峰值力矩為：

N=Nmax+N1+N2=81.3mm×3.6N+0.34N·m=0.63N·m

按照電機(jī)驅(qū)動力矩N電機(jī)>2×N負(fù)載的經(jīng)驗公式，則電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩應(yīng)取值為1.26N·m。同時考慮電機(jī)需要克服過程中的磁力矩以及變倍機(jī)構(gòu)齒輪減速比（1:3、5:21），取最大負(fù)載情況考慮，則電機(jī)的連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩需求為0.8N·m。

根據(jù)以上計算進(jìn)行了電機(jī)選型，兩變倍電機(jī)均選擇FAULHABER某型直流微電機(jī)，并配合行星齒輪減速箱及編碼器。

4 結(jié)論

通過上述設(shè)計過程，該裝置已經(jīng)完成了常溫聯(lián)調(diào)試驗，并且通過了環(huán)境試驗考核，該視場切換裝置具有如下三個特點。

4.1 結(jié)構(gòu)簡單緊湊

本變倍裝置光機(jī)構(gòu)型簡單緊湊，尤其是沿旋轉(zhuǎn)軸方向，尺寸基本和大物鏡直徑相近，極大減小了組件沿旋轉(zhuǎn)軸方向的尺寸。而且，相對于傳統(tǒng)構(gòu)型中利用齒輪、齒條沿光軸徑向驅(qū)動透鏡組移入、移出光路來實現(xiàn)視場切換的構(gòu)型，本裝置重量減少約1kg。本構(gòu)型充分利用了所提供的空間尺寸條件，使得系統(tǒng)排布緊湊，空間利用率高。

4.2 切換速度快

通過高低溫環(huán)境試驗驗證，本變倍裝置大、中、小視場切換時間均小于1s，振動環(huán)境試驗中視場切換功能正常，滿足使用要求。

4.3 工作穩(wěn)定、可靠

所選磁鐵滿足環(huán)境溫度條件下的工作要求，性能無退化，接觸定位面不會因為環(huán)境條件改變而發(fā)生偏移，因此該裝置的定位與限位具有高精度與高穩(wěn)定性。通過環(huán)境實驗驗證，在振動等環(huán)境下該變倍裝置的大、中視場鏡框無松動、脫落現(xiàn)象。變倍裝置進(jìn)行視場切換后的光軸一致性在1個像素以內(nèi)。

經(jīng)過上述性能測試表明，該裝置功能可靠、性能穩(wěn)定、滿足設(shè)計要求，在多視場熱像觀瞄具中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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