关键词：振动；潜望式光电仪器；
潜艇以其隐蔽性、机动性和突击威力成为一种具有威慑与突击作用的重要装备, 而反潜战随着潜艇装备技术和使命的发展而发展, 目前已进入航空反潜时代, 反潜飞机成为潜艇的头号杀手。光电桅杆可为潜艇提供有效的昼夜警戒探测能力, 并可作为潜空导弹系统的主要探测传感器, 将在未来高技术条件下提高我国海军的潜艇生存能力和攻击能力发挥重要作用。
一、概述
潜望式光电仪器是一种用于观察和测角的望远仪器。其工作原理与经纬仪类似，主要区别在于潜望式光电仪器具有上棱镜转像系统，其高度扫描通过上棱镜转动实现。潜望式光电仪器的竖轴、水平轴、瞄准线三个轴线之间有三组理想正交关系，其中竖轴和水平轴是机械回转轴，瞄准轴是成像光学系统主光轴。由于制造工艺和装调使用等因素轴线的三组理想正交关系不满足导致瞄准线偏离理想位置从而引起角度测量的误差称为轴系误差。潜望式光电仪器与经纬仪类似都有竖轴倾斜、水平轴倾斜、瞄准线倾斜这三种误差，由于上棱镜的存在潜望式光电仪器还有一种特有的轴系误差称为准直误差。光电桅杆的技术水平高速发展的趋势 光电桅杆采用了最先进的光电子技术如高清晰电视技术、红外焦平面技术以提高观察效果和作用距离;采用高速图像处理技术实现对360°空域程控全景警戒搜索以提高搜索效率, 光电桅杆的图像自动存储, 以便下潜后仔细分析, 减少潜艇的暴露时间。光电桅杆探测的信息与潜艇综合作战指挥中心的其余通道的信息融合、共享, 光电桅杆的升降操控与潜艇的沉浮操控协调一致。综合上述技术发展特点, 光电桅杆改造优化了传统潜望镜的基本功能, 在提高其电子化、自动化及模块化的前提下, 着重强化了对空红外热像观察与警戒功能, 为现代潜艇作战指挥提供电子战环境下能用、顶用的探测手段, 有效地完善了潜艇被动立体探测体系, 同时优化潜艇综合作战系统的总体性能。舰载反潜直升机一般搜潜范围较小, 主要作用是完成舰队护航和港口基地警戒等任务。反潜巡逻机进行警戒飞行时, 搜索范围大、速度快, 如果采用声呐和光电等被动探测方式搜潜, 具有隐蔽性和突发性, 此时潜艇的声呐和雷达都无法对其实现有效的预警探测, 是我国潜艇目前最主要的威胁目标。
二、振动对潜望式光电仪器影响的数理分析
1.潜望式光电仪器的坐标系建立。为便于问题的分析，建立潜望式光电仪器观测坐标系。具体设置如下坐标系的、轴的方向与通过反射镜（或棱镜）后光轴的方向一致，、轴与反射镜（或棱镜）的俯仰轴一致，且在潜望式光电仪器的弧失面内。静止条件下，此坐标系与地平观测坐标系重合，此时、轴的方向与地垂线方向一致，轴处于水平状态为反射面法线单位矢量物像空间目标光线的单位矢量，一般情况下只有当飞机发现潜艇活动的征候, 才会投放声呐浮标对潜艇作准确的定位和定深, 以便实施攻击。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆声呐是潜艇最主要的探测器, 但由于反潜飞机脱离海面, 搜潜时不像水面舰艇机动那样直接产生噪声, 因而潜艇的声呐无法有效地发现飞机的踪迹，光电桅杆与潜望镜的结构形式及装艇方式对比示意图先进的红外光电吊舱, 可实施昼夜、被动搜潜。
2.振动分析。潜望式光电仪器通常作为一种远距离观测仪器，其目标均可视为无限远目标，且光电仪器的物镜与反射镜（或棱镜）之间的距离很近。潜望式光电仪器使用时，弯曲和振动造成的效应是观测坐标系绕地平观测坐标系轴分别转过一定的角度，反过来说是地平空间图像光线矢量绕观测坐标的轴转过一定的角度，从而产生弧矢面和子午面的弯曲。若子午面弯曲角，即观测坐标绕地平观测坐标系轴转动角，反射面法线单位矢量。像点在焦平面子午和弧矢方向移动量；弧为桅杆反射镜处的最大角变形瞄准线的俯仰角光电仪器物镜的焦距。潜望式光电仪器在工作时，子午面和弧矢面都有可能出现在振动最强的垂直运动方向面上，像点在焦平面的移动量的最大值应出现在子午方向上。理想情况下潜望式光电仪器各轴系关系为：竖轴在铅垂线上，水平轴垂直于竖轴且可以绕竖轴转动，瞄准线垂直于水平轴且可以绕水平轴转动，上棱镜法线垂直于水平轴。瞄准线经光学系统传递后其方向会由于扫描、反射、轴系误差等原因发生变化，这些变化可以通过乘以相应变换矩阵进行坐标变换来实现。分划板偏移理想位置产生瞄准线倾斜。分划板的偏移可分为子午面和弧矢面两个方向，由于分划板在子午面内的偏移只会改变高度角初始零位的位置，通过标校初始零位即可消除，因此分划板在子午面内偏移不会引起轴系误差，分划板在弧矢面内的偏移可以通过将瞄准线绕轴旋转角线偏移误差。产生竖轴倾斜，竖轴倾斜通常用竖轴与轴夹角以及竖轴在平面内投影不适合用于旋转操作，如果令瞄准线向量绕轴旋转得到的结果可以很大，这是不合理的。因此改用竖轴与轴的夹角以及竖轴在平面内投影与轴夹角设瞄准线倾斜、水平轴倾斜、准直误差和竖轴倾斜在两个方向上的误差内变化，其结果与小角度条件下传统计算方法得到的结果一致，从而验证了轴系误差对振动正确性。
3.改善振动技术措施。潜望式光电仪器的靶面或其它光学敏感元件处，在积分时间内像点的偏移量是探测器积分时间内振动造成像点的移动量潜望式光电仪器头部运动的线速度为光电探测器的积分时间。对潜望式光电仪器头部的振动进行分析时，可简化为正弦振动，考虑到观测的平均效果，此处线速度取平均速度为宜。为改善潜望式光电仪器的观测效果，必须控制仪器头部的振动，并降低光电探测器的积分时间，使振动引起像点的移动量在探测器的积分时间内尽量减小。控制潜望式光电仪器的头部振动，采取的措施主要有：1）潜望式光电仪器系统进行结构抗振和光学抗振优化设计。结构抗振方面，目前主要从以下两方面考虑：一是进行仪器本身的结构优化设计，努力改善桅杆刚度和头部转动惯量的均匀性，提高系统固有频率；二是在潜望式光电仪器头部加装导流罩，例如，国外解决光电桅杆振动的技术途径为在外置升降装置上加装活动导流罩，据计算活动导流罩将使光电桅杆受到的流体阻力减小70％～80％，使得潜望状态的光电桅杆的弯曲和振动大大减小。光学抗振方面，通常设计抗弯曲振动的光学系统，如传统穿透耐压壳体的光学潜望镜通过采用光学观测通道的俯仰棱镜和小负一倍系统组成正一倍系统，构成光路的偶次反射，对系统在子午面的弯曲振动进行光学的自动补偿等技术。2）加装伺服系统，进行运动补偿，如瞄准线稳定系统或陀螺平台稳定系统隔离振动。
随着光电技术的迅猛发展，动基座光电仪器的应用越来越广泛，针对潜望式光电仪器振动影响成像质量进行的分析，对其他动基座光电仪器成像质量的分析也有一定的借鉴意义。
参考文献：
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［3］曾光，王家骐，倪伟．用坐标变换推导经纬仪三轴误差［Ｊ］．光学精密工程，2017，７（５）：８９－９４．
论文作者:李春阳
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/12
标签：光电论文; 仪器论文; 桅杆论文; 潜艇论文; 误差论文; 棱镜论文; 子午论文; 《科学与技术》2019年第15期论文;