桅杆型光电探测系统总体精度分析

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随着光电探测系统在小型化 、多功能、高成像质量等方面的要求越来越高，各种光电探测系统在经过加工和装调后其探测成像质量与初始设计指标相差很大，甚至连预定的使用要求都无法满足。如果得不到各项精度误差对探测成像质量的影响定量数据 ，就无法在系统设计、加工 、装调及使用时对系统误差进行有针对性的修正。因此从光电探测系统的工程应用前景来看，为此类系统建立合理完善的误差分配体系是必不可少的，对该类系统进行必要的精度分析也是光电探测系统工程化应用的必要条件收稿日期：2012-06-27作者简介：陈兆兵(1980-)，男，助理研究员。E-mail：chenzhaobing2010###163.tom508 兵 工 学 报 第34卷之- 。

目前国内外针对光电探测系统本身的精度分析与误差分配的研究较为深入。很多光电探测系统在加工之前都建立了以精度分析为基础的误差分配体系。如美国的4 m大口径光电探测系统在设计之初就通过精度分析进行了多种方案的误差分配，为系统的加工、装调与使用提供了理论参考 ～光电探测系统架设于桅杆顶端进行应用在国外是近几年才出现。若采用传统的光电探测系统精度分析方法对本文所探讨的系统进行分析则无法体现作为承载平台的光电桅杆的自身误差对系统探测成像质量的影响。因此有必要在此类系统工程化应用之前建立- 套合理有效的精度分析与误差分配方案指导系统的应用。

本文为解决传统车载式光电探测系统易受地形遮挡无法远距离探测的问题 ，提 出-种车载桅杆高架式光电探测系统，对该系统进行整体的精度分析与误差分配。并对光电探测系统本身及桅杆承载平台在方位方向进行了整体精度分析。在研究中引人对光电桅杆 自身精度分配与分析的策略。依据总体精度指标及系统参数分配了各项误差并采用计算与试验的方式验证 了误差分配 的合理性，从而为此类桅杆平台型光电探测系统的精度分析与误差分配体系的建立提供了理论参考。

1 系统精度指标与误差分配的组成桅杆型光电探测系统的-个重要组成部分是作为支撑结构的桅杆 ，桅杆 的精度与稳定性在很大程度上将会影响系统的整体精度。为了简化模型，在整体误差计算中，将桅杆平台的误差作为-个整体因素进行探讨，专门针对桅杆的误差分配与计算验证进行探讨。在分析中不考虑承载光电桅杆的载车的振动 ，将桅杆底部看成与地面成 刚体状态。根据光电探测系统的作用距离 、探测 目标类型 、系统本身的参数水平及目标引导精度要求确定的桅杆型光电探测系统在方位方向的总体精度指标值为 25 .将此总精度值分配给光电探测系统本身和桅杆系统，分别根据其自身参数计算是否满足分配指标。通过试验验证该分配是否合理。对光电探测系统的分析需要充分考虑误差的种类、来源、性质与传递规律，同时根据光电系统的总精度要求和可靠性要求，对组成系统的各个零部件的误差进行合理的分配及可靠性设计与分析预测，从而确定光电系统各零部件的制造与装调技术要求，使系统的精度满足要求，并在系统加工、装调与使用过程中进行合理的误差控制。根据系统中误差的种类、来源及性质等的不同，将桅杆型光电探测系统分为 4部分：1)轴角编码器(采用光 电式轴角 编码器 ，这种测角系统 由光学系统、精密机械系统、电子系统组成)；2)瞄准系统(采用 内调焦式红外系统)；3)转轴系统(采用两轴结构，分别为方位轴和俯仰轴)；4)平台系统(为光电系统提供安装与运行平台，包括组成桅杆的各段机械结构 、调平系统 )。

桅杆型光电探测系统除了探测系统自身的误差外，还受到风载、车辆振动等随机误差的影响，因此需要对随机误差进行合理分配，在这个过程 中往往采用等作用分配原则或加权作用原则。这种方法将设备的各个环节及各个零部件 的源误差对光电设备总体 的误差影响是大小-致的 。而加权作用原则需要在考虑设备各个环节的局部误差对系统总体的误差存在影响程度不-致外还要考虑设备的不同环境对整体的误差控制存在控制难易程度不-致的情况 。这种分配方法比较接近实际的情况，在本文的研究中将采用这种方法。

2 系统总体精度的计算与分析2.1 桅杆型光电探测系统总体精度计算光 电系统参数 ：1)方位轴角编码器：直径 120 mm，最小读数 2”。

3)瞄准系统：红外系统放大倍率，：30，最短视距 500 m。

4)方位轴系统：轴内径 100 mm，外径 450 mm，轴承 滚 珠 直 径 5 mm，高 度 150 mm，轴 隙 Ad0.003 mm。

5)俯 仰 轴 系统 ：外径 15 mm，轴承 滚 珠 直径5 mm，轴隙 △d0.003 mm。

7)安装平台系统：5节 5 m式升降式桅杆平台结构，4组连接配合组件。

桅杆型光电探测系统的主要误差是方位方向的扭转误差 ，该误差更能影响以远距离探测为 目的光电探测系统的跟踪精度，因此在误差分析上将以方位方向的误差为研究重点。首先对系统的误差来源进行探讨，设备的误差主要由人为误差、外界误差、第 4期 桅杆型光电探测系统总体精度分析设备误差三项组成。其中人为误差是由于设备操作人员在熟练程度 、疲劳程度、心理状态不 -造成 的，在不同的情况下读数误差的大小是不-致的。外界误差则既包括温度气候、大气吸收折射等纯外部因素，又包括探测系统的支撑安装平台-桅杆的稳定性因素 。在参考同类型的光电设备室内外测量的平均值，同时充分考虑高架桅杆受风载振动的平均值后，取这项因素的误差标准差为光电系统安装误差值与桅杆作用到平台上的误差值之和，可表示为 。 i ， 。为外界误差， 为安装误差，按经验可取为5”，or 为桅杆作用到平台上的误差，根据经验光电探测系统的本身误差值-般为 0.7 ～2.8”，取光电设备本身的分配许用误差值为Ao- 2”.光电设备本身的误差包括轴角编码器误差 or ，光电系统瞄准误差 or。，系统整体的轴系误差 人眼判读误差 等几项，下面分别对各项误差值进行计算与分析。

由光电系统的误差来源可得综合(1)式，误差的分配也可以采用(1)式进行 ： ， (1or ) t 8十 e m ，式中：or。为总误差；or 为光电设备本身的分配误差；为人眼判读误差。

为简化模型假设许用人眼判读误差 Ao- 6.7”，又知许用总体误差 Ao- 25”，Ao- 2”，代入(1)式，即可求得光电设备本身的误差值与桅杆带来的误差值 ：Ao- 2"，，。

从 (2)式可以看 出，分配给光 电桅杆 的误差为主要误差源。

2.2 光电探测系统本身的精度分析光电探测系统的原始误差有 20多项，文献[6]将此类系统的误差分配中光电设备本身的误差归结为六项。此处将光电探测设备的安装误差归结到桅杆平台的误差中进行分析。由于将影响较大的桅杆及安装平台误差剥离出了光电设备的本身总误差，因此可以按等精度原则对光电设备本身的分项误差进行分析，如(3)式所示。

or 2” 2- 佩 ， (3)式中： 为各分项误差； 。为各分项误差的平均值，通过该值可以反向推得光电探测系统各分项的原始误差允许值。但由于光电探测系统本身的误差因素非常复杂，各单项精度上的计算结果并不精确，因此有必要通过对系统各单向原始误差分别进行误差计算的方式得到综合误差。

伺服系统中的光电编码器的最大误差可以取为1”，此项误差服从均匀分布，其分布系数可以取为K ，光电轴角编码器误差值为± 三 0.6”. (4)由误差理论和仪器精度理论知，光电系统的对准误差和瞄准误差的视差量分别为i ， (5)： -20-0D 'A-SD， (6) o- - ' 、v，式中： 为随机误差在服从均匀分布时的置信系数；，为光电系统的放大倍数；P 为操作者的瞄准误差，其值与目标的亮度、外形及对比度有直接关系，在观测条件-般时其值可以取为 l5”～45”之间，光电探测系统为己方环境，其值可以取为 30”，由此可得对准误差的值，如(7)式所示；D 为出瞳直径，可以取为2 mm；ASD为 目镜分划板与物像间的视度差，可以取为0.15”，(6)式中的全视差置信系数 K√6，则由视差产生的瞄准误差可由(8)式表示，而总的瞄准误差可 由(9)式表示。

： ： ：0.58”， (7) i ～： ： 0.4”， (8) '： 0.4 . (9) at --- - · · y3系统轴系误 差包括方位轴误差和俯仰轴误差 ，由于间隙的存在方位轴存在-定的角度晃动，该轴运行过程中偏离铅垂线的最大晃动角为2( ) 2(150 ) 14.8”(10)在方位轴系误差的计算中假设 目标的垂直角为±6。，又由于该误差可以认为是服从均匀分布，因此方位轴系误差为 o-o·88”， ，式中：方位轴系误差 。为轴系总误差 。的-部分，51O 兵 工 学 报 第34卷由于本文仅探讨系统的方位误差，因此未计算轴系总误差俯仰轴误差为轴系误差的-个重要方面，该误差对方位误差也存在-定的影响。 。俯仰轴横跨在光电探测系统结构的左右轴承之间，该轴的误差主要是由于两轴承高度不-致、俯仰轴存在装配间隙以及轴颈的椭圆度存在误差等因素造成。前两项误差可 以采用正倒镜测量法及 V形轴 系结构消除，在俯仰轴的误差上仅需要对椭圆度误差进行重点考虑 ，当俯仰轴两端椭圆的长轴互成直角时 ，该轴处于最大的倾斜角为 ” ×2×10tmax ， ) - z L z J式中：0-b为椭圆度，可取值为0.006 mm；Lx为俯仰轴的跨度，其值为 150 mm。

俯仰轴的误差可以近似由测角误差代替，测角误差服从均匀分布 ，可用 (13)式表示。轴系误差则可由(14)式表示。

-△ i tga8tg6。0.89 ， (13) ，/2po 2 .88 0.89 1.25”。

(14)在进行角度读数及分析时采用数显方式，其误差最大值为其单个量化单位 0.1”，又由于此误差可以认为是服从均匀误差，读数误差为 √3Ad0.17”. (15)利用上述光电系统本身的分项误差值可以得到设备的总体误差，光电系统合成误差公式为 、 √0.6。0.4 1.250.17 1.2”

2.3 光 电桅杆方位扭转精度分析桅杆型光电探测系统的精度分配中桅杆本身的精度指标值为 24”，因此根据桅杆及其附件的参数所计算得到的误差值需小于 24”.本文探讨的是总体方位精度，当桅杆升起后与地面呈-定角度时，风载尤其是有扭转力的风载会在-定程度上造成桅杆的扭转，但这种扭转在中等风力条件下并不明显，且当桅杆处于与水平面垂直的稳定状态时风载并不会造成桅杆的直接扭转，因此桅杆在俯仰方向的晃动并不考虑。为了简化，假设桅杆工作时为 5节全部展开状态，同时桅杆与水平面呈垂直状态。在计算中引入电子水平仪的灵敏度误差 -水平仪的调整误差 -桅杆整体的位移误差 、光电探测系统安装偏心误差 光电探测系统步进控制带来的冲击误差 、桅杆 自身在方位方向的扭转误差 等几项。桅杆由5节机械结构嵌套而成，其周向扭转的最大间隙的合成为 18”(即在风载作用为极限状态时桅杆的最大总扭转误差)，电子水平仪采用高精度装置，其数值直接传递给动态调平系统维持平台的水平稳定，光电探测系统对桅杆造成的冲击误差 由于没有相近的经验数据参考 ，暂时以其最大加速度时对系统造成的扭转峰值作用为准，其值初步计算为8.6 ，其他误差值以当前光电设备中普遍能够达到的精度标准的平均值为准，由(17)式可以求得桅杆的总体误差，该误差值小于分配的许用误差值m / 。 2。 2 2g 2。 2t J0.02 0.02 0.05 0.15 0.008 13.6 18 l9.68

3.1 固定方式在试验状态下固定底段桅杆的架子可以看成是与地面成-体的，即认为桅杆的最底段是固定的，作用于桅杆上部的力对桅杆的底段是没有影响的。在这-前提下对桅杆在方位方向的精度进行验证才有意义。为了消除由于桅杆固定不稳造成光电探测系统的误差对桅杆系统进行了三重 固定 ，分别为桅杆底部以大重量底板为固定件，将桅杆底座以螺栓的形式进行固定。桅杆第-节中用两个机械式抱环将桅杆固定在厂房的型钢柱子上，而第-节桅杆上部采用三组连杆将桅杆固定平 台与地 面连接在-起 。

通过三重固定，该桅杆与地面及厂房钢柱成为-个刚体。桅杆的固定如图 1所示。

3.2 检测方法将质量为 100 kg的光电探测系统架设到桅杆512 兵 工 学 报 第34卷及其承载的光电探测系统为例，进行了精度分析，建立了-种以此型系统为对象的误差分配模式。通过理论计算与试验得到了系统在方位方向的误差值。

研究结果表明，光电探测系统本身在方位方向的误差值远远小于桅杆系统在该方 向的误差值，从整体上看本系统满足初始总误差分配要求∩以认为这种将光电探测系统与桅杆系统综合考虑进行精度分析与误差分配的方法是适用于此类高架式光电探测系统。桅杆型光电探测系统在俯仰方向的误差大小以及该误差对于方位方向误差的耦合作用如何等问题还需要做进- 步研 究。另外光 电探测系统本身误差与光 电桅杆 承载平 台误差之间的相互影响如何以及如何降低桅杆系统的误差对光电探测系统的最终成像质量影响将是今后研究的重点。