一種紅外光電預警轉臺的製作方法

2023-05-31 18:55:46 2

專利名稱：一種紅外光電預警轉臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械設備研製領域，涉及機械搜索轉臺和跟蹤轉臺的新型結 構，特別是一種艦載所用的紅外光電預警轉臺，該紅外光電預警轉臺的外形 採用三層結構的仿人形設計。
背景技術：
紅外預警系統，國外通常稱之為紅外搜索與跟蹤系統(IR Search and Track,簡稱IRST)，它的主要用途是全天候，尤其是在夜間和能見度差的白 天實時向控制系統或武器系統提供目標指示數據(目標方位、俯仰數據等)。 此外還承擔早期預警、目標搜索、導航等任務。在現代艦載防禦系統中，艦 載紅外預警系統是雷達最主要的輔助設備，當雷達靜默或無法工作時，它可 以代替雷達；同時也可克服雷達易暴露目標的缺點，提高了隱身性。
艦用紅外預警系統發展僅有十多年歷史，由於技術難度十分大，目前只 有少數發達國家在研製，型號產品僅有10多種。就總體水平而言，法國艦用 紅外預警系統研製水平居世界領先地位，不僅起步早，而且型號多、裝艦多。 此外，美國、加拿大、荷蘭、英國、以色列等國目前也在研製艦用紅外預警 系統。
轉臺作為預警系統重要組成部分，轉臺機械是隨著雷達的使用發展起來 的。近些年隨著慣導測試設備的發展取得了很大的發展。伺服轉臺一般具有 速率及位置系統，是一種多功能的慣導測試設備。傳統機械轉臺儘管發展很 快，具有很多優越性，80年代以來，相繼出現了單軸、雙軸及三軸伺服轉臺， 但其研究多是基於滿足多維運動功能及保證運動速率及精度方面，對於紅外 預警系統，其必須能夠實現凝視成像功能，.因此響應的機械轉臺必須能滿足間歇性運動的要求。總的來說，傳統的紅外預警機械轉臺不可避免的存在如 下缺點
(1) 集成化程度低。由於搜索部分和跟蹤部分分別單獨設計，相互獨立， 沒有實現集成。
(2) 安裝佔用空間大。搜索轉臺和跟蹤轉臺分別獨立安裝，需要的安裝 空間大。
(3) 設計、製造^^本高。搜索轉臺和跟蹤轉臺具有部分重複功能，若單
獨設計和製造，需重複考慮諸多因素，因此使設計、製造成本均提高。
(4) 系統誤差大。搜索轉臺和跟蹤轉臺分別獨立安裝，間距須根據載體 而定，使系統誤差增大，控制精度降低。
隨著光電技術和器件的發展，光電探測系統由於工作波段較短(雷射、 紅外、電視所採用的光波波長主要為1.54微米、8 12微米和可見光波段)， 因具有上述的優點，使得光電探測系統在國外海軍中得到普遍重視和迅速發 展，國外現有多種多樣的光電探測系統。作為海軍使用的光電探測系統，主 要分為兩類 一類是光電火控系統，某種程度類似於跟蹤雷達或炮瞄雷達； 另一類就是紅外預警系統，類似於預警雷達。
由於航天、航空、航海和地球物理探測等不同領域對於制導、導航和定 位精度要求越來越高，對相應的測試設備的精度要求也越來越高。轉臺的測 角精度已經接近0.1"，離心機轉速的穩定性已經達到10-7。因此，慣導測試設 備的研製己不僅僅是機械設計和控制方面的問題，它還涉及到氣浮、液浮及 密珠軸承設計、支撐動態特性及結構剛度分析、精密軸系檢測技術、高精度 角度和速度傳感器、電磁兼容技術及新器件等領域。因此，慣導設備的研製 涉及到許多學科和領域，是一項系統工程，它一定程度上反映了一個國家的 科技水平。
我國具有漫長的海岸線和300多萬平方公裡的領海。在新的國際環境中，海軍成為我國優先發展的國防力量。目前我國海軍的各類艦船的艦載防禦系 統中，雷達仍是主要的探測系統。因此發展艦載紅外預警系統，彌補艦載雷 達之不足，是提高我國海軍力量的一項重要技術。但是，我國的轉臺研究起 步較晚，距世界先進水平還有相當差距，主要是測試設備品種少，精度和可 靠性不高，對隔振、恆溼、恆溫、隔音、和磁屏蔽等高標準的試驗條件的研 究不深入。此外，我國在測試理論的研究，各種慣性儀表的誤差模型研究， 誤差補償方法的研究距世界先進水平也有一定差距。經過幾十年的研究，我 國慣導測試設備已經取得了長足的進步，種類基本齊全，綜合精度已經達到 1"。
在慣導測試設備這一領域，美國和俄羅斯居於領先地位。美國是空間技 術發展最快、起步最早的國家之一，其從事慣性技術和測試轉臺的研製己有 五十多年的歷史，在研製和使用慣導測試設備方面具有很強的實力。目前， 美國在轉臺製造方面，無論在數量、品種還是測試精度及測試自動化方面， 都居世界領先地位，代表了當今世界慣導測試轉臺的最高水平。
美國CGC公司於60年代末到70年代初，研製生產了 51系列雙軸空氣 軸承測試轉臺。70年代末研製生產了 53系列三軸轉臺。值得一提的是該轉臺 採用了模塊化精密角位置控制系統MPACS(Modular Precision Angular Control System)30H。 30H系列產品綜合了現代電子設計和封裝技術，可提供多種控 制與編碼功能。由於在設計MPACS的每一個模塊都考慮了從最少到最多的功 能要求，故此系統可提供絕對角度或位置控制、位置編碼以及精密速度控制。 系統結構設計為多軸測試設備提供了最大可擴充能力，30H系列的模塊功能 與部件，顯示出高度的可維護性和使用了靈活性。51系列與53系列轉臺在整 體上採用了計算機控制，其伺服控制迴路是用模擬電路實現的，尚未採用數 字控制。
到70年代末，美國測試轉臺已達到相當高的水平，表現在高精度、高可靠性、多用途、採用計算機控制和數據處理。由於在許多情況下，技術水平 已經達到了邊界或極限精度，而技術發展的連續性和習慣勢力，使其難以一 下子進入新的發展階段。因此，慣導測試技術在其發展過程中進入了一個相
對停滯階段，轉臺的技術水平基本上維持到80年代末沒有重大進展。
1984年,CGC公司提出了 "高精度三軸測試臺ITATT"的設計製造方案。 在CGC的方案中，確定ITATT是一臺超精度三軸測試設備，它能評定下一代 慣性系統和慣性儀表，能測試下一代空間/天體定位儀表，其三個軸的綜合指 向精度《0.1"， 0細 200 °/s下的瞬時速率誤差《10'6，這一指標比當時的 慣導測試臺幾乎高30倍。ITATT高級三軸臺在軸承、測試臺的結構、驅動裝 置、測角系統、控制及轉臺的電器和信號傳輸等方面應用了許多新技術。
發明內容
本實用新型的目的在於，提供一種紅外光電預警轉臺。
為了實現上述任務，本實用新型採取如下的技術解決方案
一種紅外光電預警轉臺，其特徵在於，該紅外光電預警轉臺採用立體化 層狀人形三層結構，包括底部的機座、中部跟蹤轉臺和上部的球體搜索轉臺， 所述的跟蹤轉臺和球體搜索轉臺之間採用第一套軸相連，跟蹤部分和機座之 間採用第二套軸相連；
跟蹤轉臺採用對稱懸臂結構，懸臂上對稱安裝兩組4個傳感器，包括2 個紅外成像傳感器，1個CCD傳感器和1個雷射測距機，所形成的傳感器陣列 光軸嚴格平行；跟蹤轉臺的水平轉動角度為0° 360°，俯仰角度為-5° +85°; 跟蹤轉臺為連續運動，方位運動和俯仰運動均由三相交流伺服電動機加減速 機構驅動，電機和減速機均安裝於機座上，方位運動角速度50°/秒，角加 速度60°/秒2;俯仰運動角速度50。/秒，角加速度60。/秒2;
球體搜索轉臺上安裝共4個參數相同的紅外成像傳感器，4個紅外成像傳 感器所形成的傳感器陣列光軸呈輻射狀分布，各光軸之間方位角偏差16. 5° ，俯仰角偏差12、球體搜索轉臺方位運動的水平轉動角度為0° 360°，俯仰 角度為0° 6°，採用三相交流伺服電動機驅動，通過減速機進行減速，驅動 速度為2步/秒，33°/步。 所述的機座為六稜梯形。
所述的4個參數相同的紅外成像傳感器安裝在可進行方位及俯仰方向微 調的基座上，並可鎖定。
所述的球體搜索轉臺的搜索方位運動為0° 360°的間歇運動。 本實用新型帶來的技術效果是-
(1) 傳統紅外預警機械伺服轉臺均為獨立結構，即搜索部分和跟蹤部分 各自獨立，而本集成間歇運動型紅外預警機械伺服轉臺採用套軸結構，實現 了搜索轉臺和跟蹤轉臺的結構集成，且整機採用層狀人形結構，安裝空間小， 造型美觀大方，適用性強。
(2) 傳統機械轉臺一般均為連續運動型，無凝視成像功能，成像質量差， 圖像識別工作量大，本仿人形三層狀新型紅外光電預警轉臺採用三相交流伺 服電動機加減速機構驅動，利用三相交流伺服電動機相應快、可控性好的優 點，通過雙位置閉環伺服控制，實現間歇運動，使凝視成像成為可能。
(3) 本實用新型的仿人形三層紅外光電預警轉臺，通過三相交流伺服電 動機自帶碼盤和安裝於轉動軸上的高精度碼盤實現雙閉環位置伺服控制，使 系統運動精度高、可控性好，響應動作快，抗幹擾能力強。
該實用新型的創新之處主要表現在上述三個方面，徹底打破傳統艦載紅 外預警機械伺服轉臺的設計思想，以一種極簡單的新觀念，改變目前艦載紅 外預警機械伺服轉臺的現狀，實現了紅外凝視成像，特別是將搜索轉臺和跟 蹤轉臺實現集成，在國內屬首例。
本實用新型的獨到之處就是將原來獨立的搜索轉臺和跟蹤轉臺通過套軸 式結構集成起來，並利用交流伺服電動機相應快、可控性好的優點，通過伺服電動機驅動實現間歇性運動，以使凝視成像成為可能，便於目標識別和跟
蹤o


圖1是本實用新型的仿人形三層狀新型紅外光電預警轉臺外觀圖
以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。
具體實施方式本實用新型進行了以下幾部分的關鍵工作
(1) 對艦用紅外預警系統的轉臺進行了初始結構設計，採用立體化層狀 人形結構，頭部圓形搜索部分、機身及兩臂跟蹤部分、及底部機座部分，中 間採用套軸結構連接。
(2) 對機械轉臺的結構特點進行分析，應用ANSYS建立轉臺結構的有限 元模型。
(3) 對各個部分進行靜態結構力學分析、研究並進行性能分析評價。
(4) 根據該系統的使用環境特點，對有限元模型進行動態結構力學分析， 得到轉臺結構的動態特性，從設計上避免轉臺出現共振現象。
(5) 根據靜態和動態仿真的結果，運用ANSYS模塊對轉臺結構進行優化 設計。改善轉臺結構性能。
該集成間歇運動型紅外預警機械伺服轉臺的主要性能和技術參數如下 (1)搜索轉臺
工作範圍方位0° 360°;俯仰為固定角度，可在0° 6°範圍內人工調
節；
步進運動方式，方位運動33°/步，2步/秒；
球體搜索轉臺2上安裝2X2共4個參數相同的紅外成像傳感器，4個紅外成 像傳感器所形成的傳感器陣列光軸呈輻射狀分布，各光軸之間方位角偏差 16.5°，俯仰角偏差12°。為方便傳感器光軸校準，各傳感器均安裝在具有方位及俯仰方向微調的基座上，並可鎖定。測量轉臺支架上裝有絕對式角量碼 盤以便獲得角度信息。
(2)跟蹤轉臺 工作範圍方位0° 360°，俯仰-5° +85°;
連續轉動方式，方位運動角速度50V秒，角加速度60V秒2;俯仰運動
角速度50V秒，角加速度6(T/秒2。
跟蹤轉臺上兩側分兩組安裝4個傳感器包括2個紅外成像傳感器，1個CCD 傳感器，l個雷射測距機，所形成的傳感器陣列光軸嚴格平行。為方便傳感器 光軸校準，各傳感器的安裝基座需加裝方位及俯仰機械調節機構進行光軸微 調，並可鎖定。
三相交流伺服電動機自帶碼盤和專門安裝於轉動軸的碼盤，以實現雙位 置閉環伺服控制。
見圖1，圖1是本實用新型的仿人形三層狀紅外光電預警轉臺的結構示意 圖。該紅外光電預警轉臺，採用立體化層狀人形三層結構，包括底部的機座1、 中部跟蹤部分2和上部的球體搜索轉臺3，所述的跟蹤轉臺2和球體搜索轉臺 3之間採用第一套軸4相連，跟蹤轉臺2和機座1之間採用第二套軸5相連；
跟蹤轉臺2採用對稱懸臂結構，懸臂上對稱安裝兩組4個傳感器，包括2 個紅外成像傳感器，1個CCD傳感器和1個雷射測距機，所形成的傳感器陣列 光軸嚴格平行；
跟蹤轉臺2的水平轉動角度為0° 360°，俯仰角度為_5° +85°;跟蹤轉 臺2為連續運動，方位運動和俯仰運動均由三相交流伺服電動機加減速機構 驅動，電機和減速機均安裝於機座上，方位運動的角速度50°/秒，角加速度 60°/秒2;俯仰運動的角速度50°/秒，角加速度60°/秒2;
球體搜索轉臺3上安裝共4個參數相同的紅外成像傳感器，4個紅外成像 傳感器所形成的傳感器陣列光軸呈輻射狀分布，各光軸之間方位角偏差16. 5° ，俯仰角偏差12° ;球體搜索轉臺3方位運動的水平轉動角度為0° 360° ， 俯仰角度為0° 6°，採用三相交流伺服電動機驅動，通過減速機進檸減速， 驅動為2步/秒，33°/步。
所述的4個參數相同的紅外成像傳感器安裝在可進行方位及俯仰方向微 調的基座上，並可鎖定。
球體搜索轉臺3具有間歇運動特性，能夠凝視成像。
三相交流伺服電動機自帶碼盤和專門安裝於轉動軸的碼盤，以實現雙位 置閉環伺服控制。
該機械轉臺成功實現了搜索和跟蹤的集成，球體搜索轉臺3具有間歇運動 的特性，使紅外凝視成像成為可能。球體搜索轉臺3可做方位360°間歇周轉運 動和俯仰0°~12°上下調節，跟蹤轉臺2可做360°周轉運動和-5°~85°上下調節。
具體的實施方式如下
首先進行仿人形三層狀新型紅外光電預警轉臺的整體結構設計，為了實 現球體搜索轉臺3和跟蹤轉臺2的集成，採用套軸層狀結構，整體呈人形。 考慮搜索視場和運動特性，將球體搜索轉臺3置於上層，形成轉臺"頭部"。 跟蹤轉臺2置於中層，即球體搜索轉臺2之下，基座1之上，跟蹤轉臺2採 用對稱懸臂結構，形成轉臺"兩臂"。球體搜索轉臺3和跟蹤轉臺2採用套軸 連接，均安裝於六稜梯形的機座1之上。
其次進行球體搜索轉臺3的設計，搜索方位運動為0° 360°的間歇運動， 為保證運動的精確性，採用三相交流伺服電動機驅動，通過減速機進行減速。 俯仰運動範圍較小，採用步進電動機進行驅動即可。各傳感器及驅動電機的 連接線通過導電滑環連接引出。
然後進行跟蹤轉臺2的設計，跟蹤轉臺2為對稱懸臂結構，方位運動和 俯仰運動均由三相交流伺服電動機加減速機構驅動，電機和減速機均安裝於 機座上，各連接導線仍由相應的導電滑環接出。最後進行各種附件的設計，包括傳感器安裝基板、潤滑裝置，平衡結構， 便於運輸的吊裝、定位裝置等。
權利要求1.一種紅外光電預警轉臺，採用立體化層狀人形三層結構，包括底部的機座(1)、中部的跟蹤部分(2)和上部的球體搜索轉臺(3)，其特徵在於，所述的跟蹤轉臺(2)和球體搜索轉臺(3)之間採用第一套軸(4)相連，跟蹤部分(2)和機座(1)之間採用第二套軸(5)相連；跟蹤轉臺(2)採用對稱懸臂結構，懸臂上對稱安裝兩組4個傳感器，包括2個紅外成像傳感器，1個CCD傳感器和1個雷射測距機，所形成的傳感器陣列光軸嚴格平行；跟蹤轉臺(2)的水平轉動角度為0°～360°，俯仰角度為-5°～+85°；跟蹤轉臺(2)為連續運動，方位運動和俯仰運動均由三相交流伺服電動機加減速機構驅動，電機和減速機均安裝於機座上，方位運動的角速度50°/秒，角加速度60°/秒2；俯仰運動的角速度50°/秒，角加速度60°/秒2；球體搜索轉臺(3)上安裝共4個參數相同的紅外成像傳感器，4個紅外成像傳感器所形成的傳感器陣列光軸呈輻射狀分布，各光軸之間方位角偏差16.5°，俯仰角偏差12°；球體搜索轉臺(3)方位運動的水平轉動角度為0°～360°，俯仰角度為0°～6°，採用三相交流伺服電動機驅動，通過減速機進行減速，驅動為2步/秒，33°/步。
2. 如權利要求1所述的紅外光電預警轉臺，其特徵在於，所述的機座(1) 為六稜梯形。
3. 如權利要求l所述的紅外光電預警轉臺，其特徵在於，所述的4個參 數相同的紅外成像傳感器安裝在具有方位及俯仰方向微調的基座上，並可鎖 定。
4. 如權利要求l所述的紅外光電預警轉臺，其特徵在於，所述的球體搜 索轉臺(2)的搜索方位運動為0° 360°的間歇運動。
專利摘要本實用新型公開了一種紅外光電預警轉臺，該紅外光電預警轉臺整體採用立體化層狀人形結構，包括底部的機座、中部的跟蹤轉臺和上部的球體搜索轉臺，本實用新型將原來獨立的搜索轉臺和跟蹤轉臺通過套軸式結構集成起來，並利用交流伺服電動機相應快、可控性好的優點，通過伺服電動機驅動實現間歇性運動，以使凝視成像成為可能，便於目標識別和跟蹤。
文檔編號G01S3/78GK201152896SQ20082002817
公開日2008年11月19日 申請日期2008年1月22日 優先權日2008年1月22日
發明者尚春陽, 永 張, 張志遠, 趙升噸 申請人:西安交通大學