张洪伟，徐钰蕾，谭淞年，李全超



长焦红外相机的减振系统设计

张洪伟，徐钰蕾，谭淞年，李全超

（中国科学院航空光学成像与测量重点实验室 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

为了减小振动对长焦红外相机成像质量的影响，设计了一套新型减振系统。针对传统减振系统的不足，提出了一种新型减振系统，可以很好地将外框架传递到内框架上的振动隔离掉，通过Matlab采用参数优化算法得到新型减振系统的最优阻尼比opt为0.6532。为了检测新型数减振系统的减振效果，对长焦红外相机进行了有限元分析与试验验证。结果表明，新型减振系统在5～2000Hz频带向的减振效果高达94.67%，因此可适应宽频带、大幅值随机振动的工作环境，保证了设备的正常工作，提高了成像质量。

长焦红外相机；减振系统；有限元分析；随机振动

0 引言

载体运动是长焦红外相机工作时必须承受的恶劣环境之一，其具有宽频带、大幅值的特点[1-2]。这种工作环境不仅影响长焦红外相机的成像质量，造成图像的模糊、扭曲、畸变等[3]，还会对设备的正常使用带来安全隐患，缩短其使用寿命。随着飞行器飞行速度的不断增加，长焦距红外相机的日益普及，振动带来的不利影响将更加突出[4-6]，因此，为了保证长焦红外相机的成像质量，设计了一套新型减振系统，保证设备能够正常工作。

目前，航空相机的减振系统主要为橡胶减振器，但其具有对温度的敏感性强、环境适应性差并且易老化等缺点。针对橡胶减振器的不足，国内外很多研究人员就液体阻尼减振器进行了试验研究，如美国的Honeywell公司为哈勃太空望远镜设计了一款液体阻尼减振器，哈尔滨工业大学航天学院研制了一种液体阻尼减振平台等。

设计了一种由粘性流体和金属波纹管构成的新型减振器，并且此减振系统采用吊装结构，在保证良好的减振性能的前提下，减小了系统安装的尺寸空间，适用于各种机载航空光电遥感器[7]。

1 长焦红外相机减振系统的设计

传统长焦红外相机的减振系统通常由弹簧和阻尼器组成，简化模型如图1(a)所示。其传递函数如下：

式中：为阻尼；为相机质量；为弹簧系数。

由式(1)绘出的振荡环节波德图如图1(b)所示。

(a) 减振系统的简化模型

(b) 减振系统的波德图

图1 传统减振系统

Fig.1 The traditional vibration damping system

由图1(b)可以看出传统减振系统随着阻尼比的增大，共振频率段的幅值逐渐变小，并且高频段的衰减率也逐渐降低。因此传统减振系统无法同时满足共振频率段的低幅值和高频率段的高衰减率。

为解决上述矛盾，提出了一种新型减振系统。所谓的新型减振系统是由弹簧和并联的弹性支承粘滞阻尼器构成，通过改变参数（弹簧常数和阻尼）可同时达到在共振频率段低幅值，以及在高频率段高衰减率的目的，简化模型如图2(a)所示。其传递函数为：

式中：1、2为弹簧系数。

由式(2)绘出的振荡环节波德图如图2(b)所示。

(a) 减振系统的简化模型

(b) 减振系统的波德图

图2 新型减振系统

Fig.2 The new vibration damping system

在选择合适的阻尼比的过程中，通过Matlab采用参数优化算法寻求最优阻尼比opt。预先估计系统的质量，问题归为寻找长焦红外相机减振系统的最优阻尼比opt。这是一个一维参数优化的问题，采用数值方法求得opt。方法如下，选择不同的阻尼比值分别进行数值运算，采用Matlab软件绘出不同阻尼比条件下的波德图，当曲线的峰值点为公共点时，相应的阻尼比便是要寻找的最优阻尼比opt，如图2(b)所示。根据设计要求，得到长焦红外相机的质量为，按上述方法进行参数优化，得到最优阻尼比opt＝0.6532。

1.1 新型减振器的设计

新型减振器是由金属波纹管与粘性流体构成的，具体结构如图3所示。在此结构中，作为弹簧系数（1和2）的金属波纹管形成2个流体室，并且通过节流孔进行连接。金属波纹管内充有粘性流体，当粘性流体通过节流孔时，触发粘性阻尼。通过更换不同粘度的粘性流体可以改变隔离器的阻尼。

图3 新型减振器的结构

1.2 新型减振系统的设计

新型减振系统由6个新型减振器构成，形成一个多轴减振平台。新型减振器上端、底部分别设计成外螺纹和内螺纹形式用于与柔性接头连接，并且在新型减振器壳体底部装有力传感器。多轴减振平台属于六自由度并联结构，具有结构紧凑、减振性能良好的特点，结构如图4所示。

图4 多轴减振平台的结构

Fig.4 Multi-axis vibration isolation platform

2 长焦红外相机的有限元分析

为了测试所设计的多轴减振平台的减振效果以及长焦红外相机在多种振动干扰下的状态和动力学性能，对其进行了模态分析以及随机响应分析。

2.1 长焦红外相机的有限元模型

长焦红外相机的有限元模型如图5所示。为了保证有限元仿真结果与动力学环境试验结果更贴近，在对长焦红外相机进行有限元分析时将试验工装也一并加到分析模型中。根据长焦红外相机各构件的特点，在划分网格时采用壳单元、杆单元、梁单元、集中质量点等，其中多轴减振平台采用BUSH单元。该有限元模型共有单元190587个，节点207926个。

2.2 材料属性

长焦红外相机由许多构件构成，主要构件有壳体、内框架、窗口玻璃、主次镜、镜筒、镜座、连接板、盖板、试验工装等，主要材料属性如表1所示。

表1 材料属性

2.3 载荷、边界条件以及分析结果

为了考核装有减振系统的长焦红外相机在航空复杂环境下的动力学特性，首先对其进行了模态分析，约束条件是将试验工装与振动台连接的4处安装面上的节点的6个自由度全部约束（如图5所示）。长焦红外相机的前三阶模态振型如图6所示，前三阶固有频率及振型描述如表2所示。

图5 长焦红外相机的有限元模型

图6 前三阶模态振型

表2 前三阶模态分析结果

然后对其、、三个方向进行了随机响应分析，其中、、三个方向分别对应长焦红外相机的航向、展向以及法向。随机振动的输入为试验工装底部与振动台连接的4处安装位置的随机加速度激励，具体参数如表3所示。根据经验，设定模态阻尼比为0.03。为了检测所设计的减振系统的减振效果，将采样点设在内框架的位置，具体位置如图5所示。仿真分析出采样点处的随机响应曲线如图7所示。

表3 随机振动试验参数

图7 随机响应分析曲线

3 长焦红外相机振动试验

长焦红外相机的动力学环境试验在中科院长春光学精密机械与物理研究所的环境试验站进行的，采用的设备为LMS-V964型电磁振动台。将2个传感器粘贴在长焦红外相机的内框架上，具体位置如图5所示，试验现场如图8所示。

试验所用的传感器可以采集到、、三个方向的信号，信号通道4、5、6分别对应1号传感器的、、三个方向，信号通道7、8、9分别对应2号传感器的、、三个方向。动力学环境随机激励信号输入条件如表3所示。在对长焦红外相机、、三个方向进行随机振动前，首先分别对其3个方向进行了5～2000Hz频段内的正弦扫频试验以查看具有减振系统的长焦红外相机的固有频率。长焦红外相机、、三个方向的正弦扫频试验曲线如图9所示。

图8 试验现场

图9 正弦扫频试验曲线

由图9可知，装有减振系统的长焦红外相机向的一阶固有频率为16.24Hz，向的一阶固有频率为15.51Hz，向的一阶固有频率为6.21Hz，分别对应模态分析的三阶固有频率、二阶固有频率以及一阶固有频率。仿真结果与试验结果对比如表4所示，其最大误差为6.6%。

表4 模态分析与试验结果对比

然后对其3个方向进行了5～2000Hz频段内的随机振动试验。长焦红外相机、、三个方向的随机响应曲线如图10所示。仿真分析结果与试验结果的RMS值与减振效果对比如表5所示。

将仿真分析出的、、三个方向的3条振动曲线（图7）与试验得到的、、三个方向的3条振动曲线（图10）分别进行对比，可以发现第一个共振峰对应的频率值基本一致，各阶共振峰对应的频率值也大体一致，、、三个方向对应振动曲线的发展趋势也大体一致。由表5可以看出仿真分析与试验结果的最大误差为6.7%，并且整机向减振效果高达94.67%，向的减振效果最小为82.80%。

图10 随机振动试验曲线

表5 随机响应分析与试验结果对比

4 结论

简述了航空复杂环境对长焦红外相机成像质量的影响，为提高成像质量，设计了一套新型减振系统。减振器的阻尼可通过更换不同粘度的粘性流体进行改变，通过分析计算得到减振器的最优阻尼比opt＝0.6532。为验证所设计的减振系统的减振性能以及整机在多种振动干扰下的动力学性能，首先对其进行了模态分析以及随机响应分析，随后对整机进行了试验验证。从分析结果和试验结果可以看出向的衰减率高达94.67%。

[1] 舒陶, 刘士华, 陈祖金, 等. 小空间光学探测组件减振系统设计[J]. 航空兵器, 2008(4): 49-51.

SHU Tao, LIU ShiHua, CHEN Zu Jin, et al. Design of vibration reduction system for small space optics-detective module[J]., 2008(4): 49-51.

[2] 袁名松, 冯建伟, 顾道琴, 等. 巡飞攻击导弹红外成像导引头减振技术研究[J]. 红外技术, 2015, 37(1): 67-72.

YUAN Mingsong, FENG Jianwei, GU Daoqin, et al. Research on vibration reduction technology of loitering attack missile imaging infrared seeker[J]., 2015, 37(1): 67-72.

[3] 柯诗剑, 陈平, 李杰, 等. 线性振动、角扰动对机载光电吊舱图像质量的影响[J]. 应用光学, 2013, 34(2): 198-202.

KE Shijian, CHEN Ping, LI Jie, et al. Influence of linear vibration and angular disturbance on image quality of airborne optoelectronic pod[J]., 2013, 34(2): 198-202.

[4] 赵鹏, 杨牧, 张葆. 航空机载光学设备的振动分析及座架减震器的设计[J]. 光学精密工程, 1997, 7(3): 58-63.

ZHAO Peng, YANG Mu, ZHANG Bao. Vibration analysis and absorber design of aviation airborne optical device[J].., 1997, 7(3): 58-63.

[5] 张卫国, 陶忠, 孟立庄. 两轴四框架结构光电稳瞄吊舱减振器谐振频率计算与试验[J]. 应用光学, 2008, 29(1): 23-26.

ZHANG Weiguo, TAO Zhong, MENG Lizhuang. Resonant frequency calculation and test for damper of two axes four-gimbal EO pod[J]., 2008, 29(1): 23-26.

[6] 贾平, 张葆. 航空光电侦察平台关键技术及其发展[J]. 光学精密工程, 2003, 11(1): 82-87.

JIA Ping, ZHANG Bao. Critical technologies and their development for airborne opto-electronic reconnaissance platforms[J]..., 2003, 11(1): 82-87.

[7] 袁名松, 冯建伟, 黄云, 等. 巡飞攻击导弹红外成像导引头随机振动响应分析[J]. 红外技术, 2015, 37(4): 342-346.

YUAN Mingsong, FENG Jianwei, HUANG Yun, et al. Random vibration response analysis of loitering attack missile imaging infrared seeker[J]., 2015, 37(4): 342-346.

[8] Lee Dae-Oen, Park Geeyong, Han Jae-Hung. Development of vibration isolation platform forlow amplitude vibration[C]//＋., 2014: 4177-4180.

[9] 张葆, 贾平, 黄猛, 等. 动载体成像系统底座无角位移减振器的设计[J]. 光学技术, 2004, 29(4): 464-466.

ZHANG Bao, JIA Ping, HUANG Meng, et al. Design of irrotational isolator for imaging systems on moving vehicles[J]., 2003, 29(4): 464-466.

[10] Brennan M J, Carrella A, Waters T P, et al. On the dynamic behavior of a mass supported by a parallel combination of a spring and an elastically connected damper[J]., 2008, 309(3-5): 823-837.

Design of Vibration Damping System for Infrared Camera with Long Focal Length

ZHANG Hongwei，XU Yulei，TAN Songnian，LI Quanchao

(,,,,130033,)

In order to reduce the influence of vibration on the image quality of the infrared camera with long focal length, a new vibration damping system is developed. A new vibration damping system is designed to isolate the vibration from inter frame to outer frame effectively in view of the shortage of the traditional vibration damping system. By using Matlab and the parameter optimization method, the optimum damping ratiooptof the new vibration damping system was calculated to be 0.6532. In order to test the vibration damping effect of the new vibration damping system, finite element analyses and experiments are carried out for the whole system. The result indicates that the vibration damping effect todirection of the new vibration damping system is 95.2 percent under a frequency range varying from 5 to 2000 Hz. So the vibration damping system can be suitable for using in the harsh vibration environment. And the image quality of the infrared camera with long focal length has been improved.

infrared camera with long focal length，vibration damping system，finite element analysis，random vibration

V243.5

A

1001-8891(2016)08-0643-05

2016-01-25；

2016-02-01.

张洪伟（1987-），男，河北省衡水市人，硕士，研究实习员，主要研究方向为航空光电系统设计及分析。E-mail：xjtuzhw@foxmail.com。

国家自然科学基金青年科学基金项目（61405192），中国科学院国防科技创新基金项目（CXJJ-15S158）。