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摘 要：本文设计了一套可见光、激光成像和激光测距共孔径的跟踪/引导系统。采用共孔径光学结构，可见光系统焦距1 200mm，激光成像系统焦距1 500mm。通过共孔径设计，极大压缩了系统尺寸，进而降低了其在跟踪过程中的转动惯量。以地平式U型结构为基础，设计了系统的精密伺服转台结构，通过静态分析、模态分析及环境适应性分析，对设计结果进行了初步验证。试验证明，系统俯仰和方位轴系的晃动误差均小于3″，可以实现对目标的精确瞄准及跟踪。
关键词：多谱段；共孔径；精密伺服转台；有限元分析
中图分类号：TH703 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0006-06
Design of Multi spectral Coaxial Laser Optical Imaging Measurement System
LYU Nanfang
（Department of Physics， Capital Normal University，Beijing 100048）
Abstract： This paper designed a tracking / guidance system for visible light， laser imaging and laser ranging. Using the common aperture optical structure， the focal length of the visible light system was 1 200mm and the focal length of the laser imaging system was 1 500mm. Through the common aperture design， the system size was greatly compressed， and the moment of inertia in the tracking process was reduced. Based on the horizontal U type structure， the precision servo turntable structure was designed. The design results were preliminarily verified through static analysis， modal analysis and environmental adaptability analysis. The experiments showed that the sway error of the system"s pitch and azimuth shafting was less than 3 "， which could achieve the precise targeting and tracking of the target.
Keywords： multispectral section；common aperture；precision servo turntable；finite element analysis
近年来，无人机技术得到了飞速发展，而无人机也凭借其灵活机动的特点在军事、农林业和资源普查等领域得到了越来越广泛的应用。为了保障无人机在起飛和近地飞行过程中的安全性，实现在降落过程中的实时引导，就需要获取目标的可见光图像和相对位置信息（即采用激光成像或激光测距等手段对目标进行探测），并在一定范围内对目标实现跟踪[1，2]。但如果简单地将多套光学系统叠加在一起以实现系统的多功能化，则必然导致系统体积庞大、结构复杂和跟踪机动性降低。因此，采用多谱段共孔径的结构方案，以满足对目标进行不同波段信息探测的要求，同时为了保证系统指向的稳定性，采用高精度二维伺服转台来实现系统对目标的实时跟踪[3]。
多谱段共孔径跟踪/引导系统的突出特点为：①为了提高系统的使用效率，考虑不同大气窗口的透过率，系统可实现在可见光波段（380～750nm）及近红外（1 064nm）波长附近进行成像，并采用1 550nm脉冲激光器进行测距，因此需要满足各波段像质要求；②综合系统技术要求，伺服转台需要在方位、俯仰两个方向进行精确转动，以实现对空中目标的跟踪；③系统发射、接收光路采用共孔径结构形式，转动惯量相对较大，对系统结构指标提出更为严格的技术要求。本文根据系统技术需求，着重考虑了系统的总体方案，并对系统的光学、机械结构及温度适应性等方面进行深入分析和较为详细的论述。
1 主要技术指标
多谱段共孔径跟踪/引导系统是在光学系统各方面指标满足系统性能要求下展开的设计，通过对系统结构组件和伺服转台的设计，满足光学系统各元件的面型精度要求、各元件间相对位置精度要求、系统的跟踪精度要求及环境适应性要求。系统的主要技术指标如表1所示。
2 光学系统设计
根据系统参数，设计了一套可见光焦距为1 200mm、激光成像系统焦距为1 500mm的共孔径光学系统。系统主光学系统为同轴两反系统，后光路采用棱镜和补偿镜组合的分光形式，以实现不同谱段分别成像。同时，利用同轴系统次镜对主镜的中心遮拦，将激光发射光路放置在主光学系统下部，最终实现了激光发射路、可见光成像、激光成像和激光测距共孔径的光学结构形式，如图1所示。
经过优化设计，可见光成像系统与激光成像系统MTF曲线如图2所示，可见光系统全视场MTF均大于0.45，激光成像系统全视场MTF均大于0.83，各系统传函均接近衍射极限。
3 机械结构设计
系统主要由头部成像组件和跟踪组件两部分组成。头部成像组件采用同轴折反射式结构，同轴光学系统的结构设计方法已十分成熟[4，5]。在设计过程中，应充分利用系统的对称形式合理布局各组件位置，尽量降低整机的转动惯量，提高系统跟踪的稳定性，具体设计过程在此不再赘述。
跟踪组件主要由精密伺服转台构成，是系统的关键致动部件及承载平台。精密伺服转台采用地平式U型结构，主要由平行于水平面的俯仰轴系和垂直于水平面的方位轴系组成，以保证系统的跟踪指向精度≤3″。
3.1 俯仰轴系设计
俯仰轴系的关键部件主要包括：四通，左、右半轴及轴承，U型框架结构，力矩电机，编码器，停挡机构及微调机构等，如图3所示。
3.1.1 四通结构设计。四通是精密伺服转台的重要结构组件之一，其主要作用有两方面：①作为承载部件，内部安装光学及相应的电子学设备，要求组件具有良好的刚度及强度；②作为运动部件，在俯仰方向对目标进行跟踪与测量，要求组件具有较低的转动惯量及较高的谐振频率。因此，在设计过程中采用对称的结构形式，在保证内部光电探测器安装空间的同时采用十字格筋板结构加强组件刚度。同时，通过铸造成型工艺对四通进行加工，以保证组件结构的稳定性，避免局部应力集中发生。系统所采用的四通结构如图4所示。
3.1.2 U型结构设计。U型结构内部组件主要包括左右立柱、左右水平轴、微调机构和U型框架。现分别对U型结构中的主要组件进行介绍。
3.1.2.1 U型框架。U型框架为俯仰轴的基础结构，通过左右水平轴将四通固定在框架上。为了保证加工工艺性，U型框架整体采用铝合金铸造成型，同时在设计和加工过程中应保证左右轴安装位置的圆柱度和同轴度，并进行轻量化处理。
3.1.2.2 左、右水平轴。左、右水平轴主要由水平半轴及轴承组成，是俯仰轴中重要的运动组件之一。在结构设计上应保证组件具有足够的刚度和强度，且拆卸方便，以保证运动过程中的稳定性。轴系采用过盈配合进行安装，因此，俯仰轴晃动误差主要来源于轴承的游隙上，系统俯仰轴两端轴承支撑的跨距为300mm，游隙为0.07mm，则俯仰轴晃动误差可以近似地表示为：
[tanσp=δLP] （1）
因此，系统俯仰轴晃动误差[σal=1.68″<2″]，满足系统指标要求。
3.1.2.3 微调机构。微调机构位于左立柱内部，主要由涡轮蜗杆机构组成，左立柱外侧手轮与蜗杆连接，涡轮与轴系连接。通过手轮与涡轮、蜗杆的配合带动俯仰轴进行手动微调，以实现对静态目标的准确瞄准及系统俯仰轴的调整检验。
3.2 方位轴系设计
方位轴系主要由方位轴、轴承、角度测量装置及调平基座组成，如图5所示。方位轴上部通过螺钉连接俯仰轴系U型框架底端，下部连接系统调平基座，是系统重要的连接组件。为了尽量减少方位轴的重量并提高轴的刚度，以合金钢40Cr作为材料，在加工过程中进行退火处理，并采用阶梯轴的结构设计方案，以保证方位轴具有良好的机械性能及力学性能。方位轴系中轴与轴承同样采用过盈配合进行安装，因此，晃动误差同样来源于轴承游隙，方位轴的跨距为420mm，轴承游隙0.08mm。根据公式（1）可以得到系统方位轴晃动误差[σaz=1.37″<2″]，满足系统指标要求。
系统采用绝对式光电编码器作为角度测量装置，绝对式编码器具有绝对零位，测量精度高且抗干扰能力强，在复杂控制领域具有广泛的应用[6]。本文采用21位光电编码器，最高转速为100r/min，测量精度5″，角度分辨率0.6″。
4 结构设计精度及环境适应性分析
4.1 结构设计精度分析
为验证结构设计的合理性，采用有限元分析软件ANSYS對系统主要组件进行有限元分析。在分析过程中，采用自由网格划分方法，确定各组件材料属性及单元类型，材料属性如表2所示，并合理分配单元格大小，对组件中重要的局部位置进行网格细化，以提高分析精度。
4.1.1 俯仰轴静力学分析
4.1.1.1 U型结构。将四通结构、俯仰轴、左右轴承和相应零部件共计520N作为有效载荷，分析U型结构在承载状态下的变形，分析结果如图6所示。从图6可以看出：U型框架最大变形量位置出现在右侧顶端，为1.06μm，U型框架长度为300mm，最大变形量导致的轴系晃动误差为0.12″，小于0.5″的指标要求，因此U型框架满足刚度设计要求。
4.1.1.2 四通结构及左右轴承。四通结构及左右轴的载荷主要来自于自身重力场，在分析过程中，添加-Y方向的重力载荷对组件进行分析，分析结果如图7所示。从图7（a）和图7（b）中可以看出，四通结构最大变形量出现在系统的[Y]轴方向，为0.451μm；左右轴的最大变形量出现在过盈配合的轴头部分，为0.196μm，由俯仰轴所引起的轴系晃动误差为0.002″，小于系统要求的0.5″误差，设计结果满足系统刚度要求。
4.1.2 方位轴静力学分析。方位轴作为系统底部支撑组件，其有效载荷主要来源于俯仰轴组件，其总重量为1 000N，有限元分析结果如图8所示。从图8可以看出，方位轴最大变形量出现在轴系顶端，为2.14μm，方位轴的跨度为420mm，因此，方位轴变形所引起的轴系晃动为0.018″，小于0.5″的系统指标要求。
4.1.3 系统模态分析。模态分析是动力学分析过程中的必要环节。为了考核系统承受力学冲击的情况，确定设计结构的固有频率，避免共振，对系统整体结构的一至六阶模态进行分析[6]。系统整体模型如图9（a）所示，分析结果如表3所示。
从表3可以看出，系统结构在各阶模态上基本稳定且振幅较小，最大振幅为四阶模态，如图9（b）所示，位移量为10.95mm。谐振所引起的变形主要发生在光电平台边缘，转台结构整体基本稳定且振幅较小。因此，转台整体结构动态特性良好，满足系统使用要求。
4.2 温度适应性分析
多谱段跟踪/引导系统主要工作在户外环境中，工作环境温度变化较大（考虑到我国北方地区季节变化所导致的极限温度差异在-40℃～﹢40℃），这种冷热变化会引起一定的系统变形，导致系统跟踪和测量精度下降。因此，有必要对精密伺服转台的热特性进行分析和校核，对结构设计结果进行验证，尽量减小温度载荷对跟踪平台稳定性的影响。
在有限元分析软件中建立转台模型，在俯仰轴和方位轴轴向端面0°～360°范围内均匀取4个节点，对高温工况（+40℃）和低温工况（-40℃）下轴系的位移量进行分析，分析结果如表4所示。
从表4的分析结果可以看出：①精密伺服转台在结构设计上采用近似对称结构，高、低温变化所引起的位移量虽然较大，但位移量在各方向上基本对称，对轴系晃动误差的影响较小；②俯仰轴轴向，即[Y]轴方向四个节点位移量基本一致，不会对轴系晃动误差产生影响；③方位轴轴向，即[Z]轴方向四个节点高、低温最大位移偏差为0.000 8mm，方位轴直径为90mm，位移所引起的轴系晃动为1.8″，满足指标要求。
5 试验验证
精密伺服转台作为多谱段跟踪/引导系统的重要组件，其精度及工作稳定性是系统的重要性能指标之一。因此，在系统光学设计、结构设计、静力学分析、模态分析及环境适应性分析后，对相应组件进行加工与装配。在装配完成后，对转台中重要组件进行检测和误差分析，以保证设计结果满足系统指标要求。
5.1 俯仰轴系检测
采用自准直方法对系统的俯仰轴系晃动误差进行测量，采用精度为0.2″的光电自准直仪，平面反射镜安装左半轴端部，通过旋转四通结构使俯仰轴运动，对0°～360°顺时针及逆时针进行两次测量，测量间隔为30°，测量结果如图10所示。通过数据处理（傅里叶级数展开）可以计算得到俯仰轴系的晃动误差为2.5″<3″，证明水平轴在装配后满足系统指标要求。
5.2 方位轴系检测
采用精度为0.1″的電子水平仪对系统的方位轴系晃动误差进行测量，水平仪轴线与俯仰轴平行以测试方位轴沿俯仰轴方向的晃动误差分量[V1]，水平仪轴线与俯仰轴垂直以测试方位轴沿垂直俯仰轴的晃动误差分量[V2]。在测试前，先通过多次正、反转方位轴，以消除轴系的双周误差。同时，将方位轴0°～360°平均分为12等份，每点取4次测量的平均值，可以分别得到[V1]和[V2]的平均测量值，如图11所示。通过数据处理（傅里叶级数展开）可以计算得到俯仰轴系的晃动误差为1.8″<3″，证明水平轴在装配后满足系统指标要求。
6 结论
多谱段跟踪/引导系统采用三波段共孔径光学系统，内部采用棱镜分光，并通过平面反射镜将激光发射路耦合到成像光路中，共孔径结构简单，大幅降低了系统的体积，满足系统对视场、焦距及成像质量的要求。通过CodeV、UG等设计软件对系统进行设计及参数优化。在此基础上，对系统的重要运动组件，即精密伺服转台进行详细的有限元分析，针对系统长期在户外服役的特点，详细分析了系统的环境适应，对结构设计结果进行初步验证。在转台加工、装调后，通过试验证明，转台俯仰轴系和方位轴系的晃动误差均小于3″，各组件刚度及强度均满足系统要求，转台具有良好的跟踪稳定性及跟踪精度，满足系统要求。
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