CN109578759A - 一种被动减振的非球面镜头推扫摆扫型航空相机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种被动减振的非球面镜头推扫摆扫型航空相机，属于航空光电载荷及减振领域。成像模块固联于航向轴框架二，由航向轴精密轴系带动其做转动，反射镜中心穿过光轴，与像面成45°，由俯仰轴精密轴系驱动做转动，俯仰轴精密轴系、航向轴紧密轴系分别整体固联于横滚框架一，并由横滚轴精密轴系带动其做横滚运动。本发明针对主要振动源：驱动电机和载机，采用隔振垫片进行隔振，降低了振动对航空相机的成像质量不良影响，大大提高了本装置的工作性能；本发明相比于同类采用了非球面镜，消除球差与耀光，矫正像面弯曲、歪曲像差的能力更好；同时非球面镜的矫正效果等同于多枚球面镜，减少了球面镜片数目，可以达到轻量化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及航空光电载荷及减振领域，尤其是指一种可进行被动减振的非球面镜头推扫、摆扫型航空相机。
背景技术
航空相机是一种高精密的光学拍摄仪器，通常以飞机为载体，可以完成收集各种信息并以高清相片的形式表达，再经计算机处理之后获得直观数据结果。在收集信息方面，航空相机不但具备精确度高、时效性好、目的性强、获取信息的速度快与方便的优势，还可以忽略地表侦查因为地球的曲率影响和障碍物对目标的遮挡的不足，军事侦查中大大降低了危险；并且也弥补航天相机对于具体图像细节和时效上的不足。航空相机在地质军事侦查、资源勘测、灾害预警、农业调查、城市规划等众多领域发挥着重要的作用。
由于航空相机工作环境复杂，镜头自身的畸变等因素以及运行中的几何、力、热、振动等因素都会对成像质量造成影响。并且随着航空相机焦距的增长，光学***的成像分辨率越来越高，相比而言，振动已经成为影响航空相机成像质量的主要因素。如何降低或避免振动等因素的影响，提高成像质量成为航空相机领域发展的主要难题。
现有的航空相机大多采用的是主动补偿像移误差，即在航空相机的基础上添加云台，如中国专利CN201730323961，虽然可以起到一定的像移补偿作用，但单一补偿***很难有效的隔绝振动等因素，成像质量依然受到影响，同时云台会增加不必要的重量，不符合轻量化的原则。再者，随着加工技术的日益精进，非球面镜片步入视野。非球面镜可用以消除球差与耀光，尽量矫正像面弯曲、歪曲像差；且一枚非球面镜的矫正能力等于多枚球面镜片，因此镜头中使用非球面镜片可以达到轻量化。
发明内容
本发明提出一种被动减振的非球面镜头推扫摆扫型航空相机，以因解决振动等因素对成像的干扰问题，大幅提高相机成像质量且符合航空产品轻量化的原则，以满足对飞行器的越来越复杂的应用需求。
本发明采取的技术方案是：包括成像模块、横滚轴精密轴系、俯仰轴精密轴系以及航向轴紧密轴系，其中成像模块固联于航向轴框架二，由航向轴精密轴系带动其做转动，反射镜中心穿过光轴，与像面成45°，由俯仰轴精密轴系驱动做转动，俯仰轴精密轴系、航向轴紧密轴系分别整体固联于横滚框架一，并由横滚轴精密轴系带动其做横滚运动。
所述成像模块包括非球面镜头组、镜筒、支座、垫圈、止口、CCD传感器，其中非球面镜头组安装于镜筒凹槽处，镜筒通过螺钉固定于支座，CCD传感器通过螺纹与止口连接，止口和支座通过螺钉固定，其中止口和支座之间设置垫圈，支座通过螺栓连接紧固于方位框架。
所述横滚轴精密轴系包括力矩电机一、电机连接座一、电机轴一、隔振垫片一、深沟球轴承一、U型架一、光电编码器一、编码器轴一、编码器连接座一、成对角接触球轴承一、横滚框架一、隔振垫片四，其中力矩电机一通过电机连接座一固定于U型架一，力矩电机一和电机连接座一之间、电机连接座一和U型架一之间采用螺钉连接，力矩电机一和电机轴一之间设置隔振垫片一，通过螺钉固联，U型架一和电机轴一之间选用深沟球轴承一支撑，光电编码器一通过编码器连接座一固定于U型架一，编码器一和编码器轴一之间、编码器连接座一和U型架一之间采用螺钉连接，光电编码器一通过螺钉与编码器轴一固联，U型架一和编码器轴一之间选用成对角接触球轴承一支撑，保证编码器轴一和电机轴一同轴度，U型架底部安装隔振垫片四。
所述俯仰轴精密轴系包括力矩电机三、电机连接座三、电机轴三、隔振垫片三、深沟球轴承三、电机座、光电编码器三、编码器连接座三、成对角接触球轴承三、编码器轴三、编码器座、反射镜、反射镜压片和反射镜座，其中力矩电机三通过电机连接座三固定于电机座，力矩电机三和电机连接座三之间、电机连接座三和电机座之间采用螺钉固联，力矩电机三和电机轴三之间放置隔振垫片三，通过螺钉紧固，电机座和电机三之间用深沟球轴承三支撑，光电编码器三通过编码器连接座三固定于编码器座，光电编码器三和编码器连接座三之间、编码器连接座三和编码器座之间都采用螺钉连接，编码器座和编码器轴三之间用成对角接触球轴承三支撑，反射镜安置于反射镜座中，并通过四个反射镜压片和螺钉固定，编码器轴三和电机轴三同轴，电机座和编码器座用螺栓连接紧固于横滚框架上。
所述航向轴精密轴系包括：力矩电机二、电机连接座二、电机轴二、隔振垫片二、深沟球轴承二、U型架二、光电编码器二、编码器轴二、编码器连接座二、成对角接触球轴承二、横滚框架二，其结构横滚轴精密轴系相同，U型架二通过螺栓连接紧固于横滚框架一。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明横滚轴轴精密轴系的力矩电机一、俯仰轴精密轴系的力矩电机三、航向轴精密轴系的力矩电机二和载机构成了整个装置的闭环振动源，分别在力矩电机一、力矩电机三、力矩电机二和其相应电机轴一、电机轴三、电机轴二间以及横滚轴轴精密轴系的U型架一和载机之间、共四处，设置隔振垫片一、隔振垫片三、隔振垫片二和隔振垫片四，通过隔振垫片一、隔振垫片三、隔振垫片二和隔振垫片四将整个闭环振动源与成像模块隔离，使振动对整个装置的影响大大降低，从而提高成像质量。
本发明深沟球轴承一、深沟球轴承二采用内圈固定，外圈游动的固定方式，提高了***刚度，减少了变形，同时保证了在温度变化时轴系精度的稳定性。
综上，本发明相比于同类发明改进了抗振设计，针对装置的主要振动源：驱动电机和载机，采用隔振垫片进行隔振，降低了振动对航空相机的成像质量不良影响，大大提高了本装置的工作性能；本发明相比于同类采用了非球面镜，消除球差与耀光，矫正像面弯曲、歪曲像差的能力更好；同时非球面镜的矫正效果等同于多枚球面镜，减少了球面镜片数目，可以达到轻量化的目的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明成像模块的结构示意图；
图3是本发明横滚轴精密轴系的结构示意图；
图4是图3的I部放大图；
图5是本发明俯仰轴精密轴系的结构示意图；
图6是本发明航向轴精密轴系的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，包括成像模块1、横滚轴精密轴系2、俯仰轴精密轴系3以及航向轴紧密轴系4，其中成像模块1固联于航向轴框架二411，由航向轴精密轴系4带动其做转动，反射镜312中心穿过光轴，与像面成45°，由俯仰轴精密轴系3驱动可做转动，俯仰轴精密轴系3、航向轴紧密轴系4分别整体固联于横滚框架一211，并由横滚轴精密轴系2带动其做横滚运动。
如图2所示，所述成像模块1包括非球面镜头组101、镜筒102、支座103、垫圈104、止口105、CCD传感器106，其中非球面镜头组101安装于镜筒102凹槽处，镜筒102通过螺钉固定于支座103，CCD传感器106通过螺纹与止口105连接，止口105和支座103通过螺钉固定，其中止口105和支座103之间设置垫圈104，通过调整螺钉进行焦距微调，支座103通过螺栓连接紧固于方位框架411，要求光轴穿过非球面镜头组101中心，光线经镜头延光轴到达并CCD传感器106的像面，CCD传感器106将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
如图3、4所示，所述横滚轴精密轴系2用于驱动相机绕横滚轴做旋转运动，包括力矩电机一201、电机连接座一202、电机轴一203、隔振垫片一204、深沟球轴承一205、U型架一206、光电编码器一207、编码器轴一208、编码器连接座一209、成对角接触球轴承一210、横滚框架一211、隔振垫片四212，横滚轴精密轴系2中选用力矩电机201作为伺服驱动组件，用于驱动横滚框架211转动，采用分装式连接方式，力矩电机一201通过电机连接座一202固定于U型架一206，力矩电机一201和电机连接座一202之间、电机连接座一202和U型架一206之间采用螺钉连接，力矩电机201一和电机轴一203之间设置隔振垫片一204，通过螺钉固联，U型架一206和电机轴一203之间选用深沟球轴承一205支撑，光电编码器一207通过编码器连接座一209固定于U型架一206，编码器一207和编码器轴一208之间、编码器连接座一209和U型架一之间采用螺钉连接，光电编码器一207通过螺钉与编码器轴一208固联，U型架一206和编码器轴一208之间选用成对角接触球轴承一210支撑，保证编码器轴一209和电机轴一203同轴度，U型架206底部安装隔振垫片四212，U型架一206通过螺栓固定于载机，
如图5所示，俯仰轴精密轴系3用于驱动反射镜312绕俯仰轴做旋转运动，包括力矩电机三301、电机连接座三302、电机轴三303、隔振垫片三304、深沟球轴承三305、电机座306、光电编码器三307、编码器连接座三308、成对角接触球轴承三309、编码器轴三310、编码器座311、反射镜312、反射镜压片313和反射镜座314，俯仰轴精密轴系3中选择力矩电机三301作为伺服驱动组件，采用分装式连接方式，力矩电机三301通过电机连接座三302固定于电机座306，力矩电机三301和电机连接座三302之间、电机连接座三302和电机座306之间采用螺钉固联，力矩电机三301和电机轴三303之间放置隔振垫片三304，通过螺钉紧固，电机座306和电机三303之间用深沟球轴承三305支撑，光电编码器三307通过编码器连接座三308固定于编码器座311，光电编码器三307和编码器连接座三308之间、编码器连接座三308和编码器座311之间都采用螺钉连接，编码器座311和编码器轴三310之间用成对角接触球轴承三309支撑，反射镜312安置于反射镜座314中，并通过四个反射镜压片313和螺钉固定，保证编码器轴三310和电机轴三303的同轴度，电机座306和编码器座311用螺栓连接紧固于横滚框架211上。
如图6所示，航向轴精密轴系4用于驱动成像模块1绕航向轴做旋转运动，包括：力矩电机二401、电机连接座二402、电机轴二403、隔振垫片二404、深沟球轴承二405、U型架二406、光电编码器二407、编码器轴二408、编码器连接座二209、成对角接触球轴承二410、横滚框架二411，其结构横滚轴精密轴系1相同，在此不做赘述，其中U型架二406通过螺栓连接紧固于横滚框架一211。
进一步说明，横滚轴轴精密轴系2的力矩电机一201、俯仰轴精密轴系3的力矩电机三301、航向轴精密轴系4的力矩电机二401和载机构成了整个装置的闭环振动源，分别在力矩电机一201、力矩电机三301、力矩电机二401和其相应电机轴一203、电机轴三303、电机轴二403间以及横滚轴轴精密轴系1的U型架206和载机之间、共四处，设置隔振垫片一204、隔振垫片三304、隔振垫片二404和隔振垫片四212，都由制振合金制成，该种合金减振降噪性能优良，使用温度频率范围广，机械性能较传统橡胶隔振垫片良好。通过隔振垫片一204、隔振垫片三304、隔振垫片二404和隔振垫片四212将整个闭环振动源与成像模块1隔离，使振动对整个装置的影响大大降低，从而提高成像质量。
进一步说明，深沟球轴承一205、深沟球轴承二405采用内圈固定,外圈游动的固定方式，提高了***刚度，减少了变形，同时保证了在温度变化时轴系精度的稳定性。
下面对本发明的工作原理和过程作进一步说明：
在实际飞行拍摄过程中，用螺钉将横滚轴U型架一206固定在载机上，横滚轴精密轴系2和俯仰轴精密轴系3旋转至合适角度进行拍摄，光线通过反射镜312，经过非球面光学镜头组101到达CCD传感器106的像面，CCD传感器1光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现；
针对振动影响，通过隔振垫片一204、隔振垫片三304、隔振垫片二404和隔振垫片四212，将整个闭环振动源与成像模块1隔离，使振动对整个装置的影响大大降低，隔振垫片一204、隔振垫片三304、隔振垫片二404和隔振垫片四212都由制振合金制成，该种合金减振降噪性能优良，使用温度频率范围广，机械性能较传统橡胶隔振垫片良好；
本装置采用非球面镜头组，消除球差与耀光，矫正像面弯曲、歪曲像差的能力好，提高了成像质量；同时非球面镜的矫正效果等同于多枚球面镜，减少了球面镜片数目，达到了轻量化的目的。
Claims (5)
1.一种被动减振的非球面镜头推扫摆扫型航空相机，其特征在于：包括成像模块、横滚轴精密轴系、俯仰轴精密轴系以及航向轴紧密轴系，其中成像模块固联于航向轴框架二，由航向轴精密轴系带动其做转动，反射镜中心穿过光轴，与像面成45°，由俯仰轴精密轴系驱动做转动，俯仰轴精密轴系、航向轴紧密轴系分别整体固联于横滚框架一，并由横滚轴精密轴系带动其做横滚运动。
2.根据权利要求1所述的一种被动减振的非球面镜头推扫摆扫型航空相机，其特征在于：所述成像模块包括非球面镜头组、镜筒、支座、垫圈、止口、CCD传感器，其中非球面镜头组安装于镜筒凹槽处，镜筒通过螺钉固定于支座，CCD传感器通过螺纹与止口连接，止口和支座通过螺钉固定，其中止口和支座之间设置垫圈，支座通过螺栓连接紧固于方位框架。
3.根据权利要求1所述的一种被动减振的非球面镜头推扫摆扫型航空相机，其特征在于：所述横滚轴精密轴系包括力矩电机一、电机连接座一、电机轴一、隔振垫片一、深沟球轴承一、U型架一、光电编码器一、编码器轴一、编码器连接座一、成对角接触球轴承一、横滚框架一、隔振垫片四，其中力矩电机一通过电机连接座一固定于U型架一，力矩电机一和电机连接座一之间、电机连接座一和U型架一之间采用螺钉连接，力矩电机一和电机轴一之间设置隔振垫片一，通过螺钉固联，U型架一和电机轴一之间选用深沟球轴承一支撑，光电编码器一通过编码器连接座一固定于U型架一，编码器一和编码器轴一之间、编码器连接座一和U型架一之间采用螺钉连接，光电编码器一通过螺钉与编码器轴一固联，U型架一和编码器轴一之间选用成对角接触球轴承一支撑，保证编码器轴一和电机轴一同轴度，U型架底部安装隔振垫片四。
4.根据权利要求3所述的一种被动减振的非球面镜头推扫摆扫型航空相机，其特征在于：所述航向轴精密轴系包括：力矩电机二、电机连接座二、电机轴二、隔振垫片二、深沟球轴承二、U型架二、光电编码器二、编码器轴二、编码器连接座二、成对角接触球轴承二、横滚框架二，其结构横滚轴精密轴系相同，U型架二通过螺栓连接紧固于横滚框架一。
5.根据权利要求1所述的一种被动减振的非球面镜头推扫摆扫型航空相机，其特征在于：所述俯仰轴精密轴系包括力矩电机三、电机连接座三、电机轴三、隔振垫片三、深沟球轴承三、电机座、光电编码器三、编码器连接座三、成对角接触球轴承三、编码器轴三、编码器座、反射镜、反射镜压片和反射镜座，其中力矩电机三通过电机连接座三固定于电机座，力矩电机三和电机连接座三之间、电机连接座三和电机座之间采用螺钉固联，力矩电机三和电机轴三之间放置隔振垫片三，通过螺钉紧固，电机座和电机三之间用深沟球轴承三支撑，光电编码器三通过编码器连接座三固定于编码器座，光电编码器三和编码器连接座三之间、编码器连接座三和编码器座之间都采用螺钉连接，编码器座和编码器轴三之间用成对角接触球轴承三支撑，反射镜安置于反射镜座中，并通过四个反射镜压片和螺钉固定，编码器轴三和电机轴三同轴，电机座和编码器座用螺栓连接紧固于横滚框架上。
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