史文欣,劉仲宇,王 平,徐迪孟,付海雙

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033)

1 引 言

航空光電吊艙是航空光電平臺中的一種,在軍事領域中,具有情報搜集、監(jiān)視、偵測、目標獲取、毀傷評估等功能。在民事領域中,具有森林防火和民事救援等作用。能否獲得高質量的清晰圖像是評價航空光電吊艙性能的重要指標,直接影響對環(huán)境的準確判斷和情況的有效評估。

在以航空光電吊艙為主的機載光電設備中,除接收器和光學系統(tǒng)本身的品質外,制約航空偵察成像質量的主要因素是飛行器受到的振動會通過設備的安裝點傳至光電設備,影響光路穩(wěn)定、成像質量、目標定位及數據引導精度等[1-4]。

2 理論分析

相機的成像清晰度由相機的移動速度和相機的快門時間決定:

其中,δx為像移量;Vx為像移速度;t為快門時間。由式(1)可知,像移量δx的大小取決于像移速度Vx的大小和快門時間t的長短。在選擇相機時,可選擇快門時間更短的相機來獲得更好的成像質量,當相機選定之后只能通過減小像移速度來獲得更好的像質。

航空環(huán)境中,光電吊艙的位移是由飛機載體的震動和飛行過程中的氣流擾動等原因產生的,其中飛機載體的震動是主要的且穩(wěn)定位移量產生源。因此,要對飛行器的振動加以隔離,從而提高動載體成像系統(tǒng)的清晰度與分辨能力、提高成像系統(tǒng)的圖像質量和偵察效果[5-6]。

本文基于實際產品中的應用,在xx型光電吊艙(如圖1所示)的隔振器布局設計中,采用了一種航空用的金屬隔振器(如圖2所示)。

圖1 航空光電吊艙Fig.1 Aerial optical-electronic pod

圖2 隔振器Fig.2 Vibration absorber

2.1 光電吊艙平動分析

在隔振器的作用下,飛機載體的震動位移量與光電吊艙的位移量的關系為:

其中,m為光電吊艙的質量;u為安裝基座的振幅；x為彈性支撐上光電吊艙的振幅；K為隔振器的彈性支撐在震動方向上的動剛度；C為隔振器的粘性阻尼系數。

式(2)可變形為:

由式(3)可知,當飛機載體的振動參數確定時,安裝基座的振幅u為固定值,正常飛行時,若飛機載體的震動頻率為ff,則每次震動的時間tf為:

tf=1/ff

(4)

由式(4)可知,當震動時間tf確定,u的一階導數也可以相應的確定,從而可以得到確定條件下的x的值[7]。

當光電吊艙平動時,根據上述公式可知:

此時,成像質量主要由隔振器的減震振幅x、飛機每次震動的時間為tf和快門時間t決定,即當相機和飛機確定后,主要取決于隔振器的選擇,在保證振動量級的傳遞率小并滿足使用要求的前提下應選擇震動幅度小的隔振器。所以,在光電吊艙平動時,隔振器的安裝跨度對光電吊艙的成像質量無影響。

2.2 光電吊艙轉動分析

當光電吊艙發(fā)生轉動時,如圖3所示,L代表隔振器的安裝跨距,θ代表光電吊艙的轉動角度,Δx為隔振器的減震振幅的差值,可知:

圖3 x,θ,L的關系示意圖Fig.3 Relationship between Δx,θ and L

由式(6)可知,當Δx一定時,跨距L與轉動角度θ成反比,增大跨距L時可減小轉動角度θ,根據式(1)的原理,當轉動角度θ越小時,光電吊艙的角位移和角速度的值同樣越小,光電吊艙的成像質量越好。

3 實驗驗證

為了驗證上述理論,在初樣設計時,采用了兩種不同的隔振器的布置形式:

(1)在直徑為100 mm的圓上均布四個隔振器；

(2)增加隔振器的跨距,在直徑為180 mm的圓周上均布四個隔振器。

本文因為篇幅所限,以水平方向震動及減震效果為例,討論使用相同隔振器在不同跨度的減震布局情況下的減震效果(隔振器為三向等剛度隔振器,豎直方向的震動響應情況與水平方向類似)。

3.1 小跨距振動試驗

將光電吊艙上端的安裝接口安裝在如圖4所示的四個隔振器上,布置在直徑為100 mm的圓周上,均布4個。傳感器的粘貼方式如圖5所示,1號傳感器作為控制傳感器,安裝在在振動臺上,控制振動臺輸出頻率為10～2000 HZ,振動量級位1g(重力加速度)的震動,2號傳感器作為監(jiān)測信號,粘貼在減震工裝的上端,監(jiān)測震動傳遞到減震工裝上端的震動情況。3號傳感器作為監(jiān)測信號,粘貼在光電吊艙的框架上,監(jiān)測光電吊艙經過隔振器后的震動特性。

圖4 小跨距安裝方式Fig.4 Small track installation

圖5 小跨距實驗照片F(xiàn)ig.5 Picture of small track experiment

得到的振動數據如圖表6所示。圖中線1為信號1的振動曲線,線2為信號2的振動曲線,線3為信號3的振動曲線。

圖6 小跨距振動曲線Fig.6 Vibration curve of small track experiment

由振動曲線可知,線1輸入信號的輸入量級有效值為1 g,線3信號說明通過隔振器的作用光電吊艙框架上的振動量級有效值為0.398 g。圖線在15 Hz附近和550 Hz附近出現(xiàn)共振的尖峰,15 Hz為隔振器的共振頻率,550 Hz接近減震工裝的二階固有頻率559.295 Hz,從圖線上看,在其余頻率內光電吊艙框架均處于振動量級的有效的衰減狀態(tài)之下。

3.2 大跨距振動試驗

將光電吊艙上端的安裝接口安裝在如圖7所示的四個隔振器上,將方案1中的隔振器布置的跨距由100 mm增加到180 mm,為了使用相同的工裝和相同結構的光電吊艙,增加了一個轉接板,以實現(xiàn)增加隔振器布局跨度的目的。傳感器的粘貼方式與方案1相同,如圖8所示。

圖7 大跨距安裝方式Fig.7 Large track installation

圖8 大跨距實驗照片F(xiàn)ig.8 Picture of Large track experiment

得到的震動數據如圖表9所示。圖中線1為信號1的振動曲線,線2為信號2的振動曲線,線3為信號3的振動曲線。

圖9 大跨距振動曲線Fig.9 Vibration curve of large track experiment

由振動曲線可知,線1輸入信號的輸入量級有效值為1 g,線3信號說明通過隔振器的作用光電吊艙框架上的振動量級有效值為0.356 g。

與方案1的震動數據對比分析可知,在輸入相同為1 g的條件下,光電吊艙的響應的振動量級由0.398 g減小到0.356 g。由于震動的測量方向是水平方向,光電吊艙震動過程中的擺動是一個轉動過程,需要將水平方向的量級轉化為轉動方向的量級。

當θ角為小量時,θ≈sinθ,由經驗公式可知,轉動方向上大跨距的振動量級與小跨距的振動量級比a近似為:

說明本實驗中隔振器通過增大跨距的布置方式將轉動的振動量級減少了37.9%,即增大跨距的布局方式減小了光電吊艙轉動過程中外部震動到光電吊艙的震動傳遞率。

4 結 論

本文以航空光電吊艙為例,通過理論計算分析和相關實驗得到如下結論:

(1)選擇隔振器的安裝布局時,安裝跨距的大小不會影響光電吊艙平動的成像質量。

(2)選擇隔振器的安裝布局時,更大的安裝跨距會減小光電吊艙的轉動過程中的角位移以及轉動的振動量級從而提高整體的成像質量。

在今后實際產品的設計中,空間條件允許的情況下,根據結論,可以將隔振器的跨距加大,從而提高光電吊艙的成像質量以獲得更加清晰有效的圖像,對今后的減震布局設計有實際性的指導意義。