CN111077666A - 一种紧凑型复合式回转探测头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种紧凑型复合式回转探测头，通过运用蓝宝石超半球球罩的使用，实现系统周视无遮挡，简单的气密结构减小旋转气密难度及提高对海水的抗腐蚀能力；整体方位转动，不引入像旋，减小成像系统设计难度并缩小系统体积。通过主反射镜上扬角度来大大缩小反射镜尺寸，使系统达到小巧紧凑的设计目的。多个反射镜的特殊设计完成光路复合，利用多重联合设计，满足长焦距条件下热像仪和电视系统的复合光路，以及紧凑型光路结构设计。

Description

一种紧凑型复合式回转探测头

技术领域

本发明涉及探测头技术领域，具体涉及一种紧凑型复合式回转探测头。

背景技术

潜望镜是潜艇上的基础设备，能够在战斗中或确定船只位置时提供有价值的视觉资料，传统潜望镜为潜艇提供了80多年宝贵的服务，由于传统潜望镜存在潜望井高度问题以及对其他设备尺寸不匹配的问题，并且一次只容纳一个人使用。传统潜望镜渐渐退出历史舞台。

近年来，一种新型光电桅杆类成像设备开始投入使用，随着光电侦察技术的进步，光电桅杆取代潜望镜已成为不可阻挡的潮流。该光电桅杆提供了传统光学潜望镜所具有的成像功能，桅杆能伸缩探出，整个探测头的核心是能够在水中伸出的传感器装置。该复合式回转探测头的电光传感器位于桅杆的旋转顶端，提供一台彩色高分辨率相机和一台红外热像仪来为潜艇提供成像功能，并将采集到的信号通过光纤或网络的方式传到潜艇内部。但是现有的复合式回转探测头结构复杂、体积大，不能适用于搭载空间小、承重量小的平台。

现有的回转探测头一般具有一个或多个平面或球面窗口，并且现有探测头的探测波段和探测范围受到限制；现有光电桅杆回转探测头整体观察头部主要采用普通窗口，观察窗口为单平面窗口，单球面窗口，或者多个平面窗口等，该方式只能采取壳体和反射镜旋转，容易有像旋，需要探测头后续部分进行消旋处理，复杂性高，体积增大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种紧凑型复合式回转探测头，通过一个超半球球罩实现光线的收集，通过较小的体积和重量实现高质量成像。

为实现上述目的，本发明的一种紧凑型复合式回转探测头，包括球罩、主反射镜、分光镜、反光镜、摄像机以及红外热成像仪、主反射镜镜架、俯仰机构、俯仰支架、分光镜架、反光镜架、方位底盘、方位座、壳体、方位壳体以及方位法兰；

其中，壳体为两端开口的筒形结构，一端与球罩对接并固定，另一端与方位底盘和方位壳体对接并固定，四者共同形成一个封闭的腔体；主反射镜装在主反射镜架上，主反射镜架装在俯仰机构上，主反射镜可随俯仰机构相对于主反射镜与水平方向成45°的安装面做俯仰运动；

俯仰机构与方位座通过方位法兰和俯仰支架连接在一起，分光镜固定在分光镜架上，反光镜固定在反光镜架上，分光镜架和反光镜架直接安装在俯仰支架上；摄像机和红外热像仪固定在俯仰支架上，其中摄像机朝向分光镜，红外热像仪朝向反射镜；

所述封闭的腔体中的所有结构均跟随方位座在所述封闭的腔体内做360°方位运动，其中，主反射镜、分光镜和反光镜的镜面相互平行。

其中，主反光镜的初始摆放角度为A时，主反光镜顺时针转动角度B，逆时针转动角度C实现俯仰主光轴α～β角度范围内的调节，满足如下关系：

A-45°+B*2＝β；A-45°-C*2＝α。

其中，所述分光镜上表面镀制透可见光、反射红外光的膜层。

其中，所述球罩采用超半球结构。

其中，所述球罩采用蓝宝石材料。

有益效果：

1、本发明通过主反射镜和后续反光镜摆放角度实现零位上移，通过提升主反射镜和后续反射镜相对零位的角度，减小主反射镜为实现俯仰角度导致的尺寸剧增，有效压缩了探测头的最大直径；并且使得成像主光轴与壳体轴线形成夹角，从而提高壳体内部空间利用率。

2、本发明通过三个反射镜集成了制冷热像仪和摄像机，实现了可见光波段和红外波段的复合，同时通过主反射镜旋转实现俯仰角度需求；在探测方位方面，通过超半球蓝宝石球罩的使用，探测头整体达到360°周视无遮挡；同时由于探测头整体实现方位旋转，而不产生像旋，减小设计机构压力；同时该结构采取整体气密形式，减小了旋转气密结构设计难度和对体积及海水腐蚀的压力。

2、本发明的分光镜的反射镜材料和镀膜工艺与现有分光镜的不同，不采用半透半反结构形式，而是采用透可见光的材料，同时在其上表面采用特殊工艺镀制透可见光、反射红外光的特殊膜层，增加了探测头整体的透过率，从而提高了探测灵敏度，增加了探测头的作用距离。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明光路组成示意图；

图3为本发明极限位置光路示意图。

具体实施方式

下面结合图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明紧凑型复合式回转探测头包括球罩1、主反射镜2、分光镜3、反光镜4、摄像机5、红外热成像仪6、主反射镜镜架7、俯仰机构8、俯仰支架9、分光镜架10、反光镜架11、方位底盘12、方位座13、壳体14、方位壳体15以及方位法兰16。其中，壳体14为两端开口的筒形结构，一端与球罩1对接并固定，另一端与方位底盘12和方位壳体15对接并固定，四者共同形成一个封闭的腔体；主反射镜2装在位于球罩1内的主反射镜架7上，主反射镜架7装在俯仰机构8上，主反射镜2可以随俯仰机构8相对于主反射镜2与水平方向成45°的安装面做俯仰运动。

俯仰机构8与方位座13通过方位法兰16和俯仰支架9连接在一起，分光镜3固定在分光镜架10上，反光镜4固定在反光镜架11上，分光镜架10和反光镜架11直接安装在俯仰支架9上；摄像机5和红外热像仪6固定在俯仰支架9上，其中摄像机5朝向分光镜3，红外热像仪6朝向反射镜4。复合式回转探测头包括的所有设备均跟随方位座13，在方位底盘12、壳体14、方位壳体15和球罩1形成的封闭的腔体内做360°方位运动，其中，主反射镜2、分光镜3和反光镜4的镜面相互平行。

为实现主光轴达到70°俯仰角度范围，主反射镜需要进行角度旋转，此时要求主反射镜的尺寸要足够大，也就是说为实现主光轴70°俯仰角度范围时使用的主反射镜，相对于不必实现主光轴70°俯仰角度范围的普通主反射镜尺寸骤增，从而导致复合式回转探测头结构复杂、体积大。

如图2和图3所示，若主反光镜2初始位置与水平方向成45°，其俯仰主光轴(即俯仰零位)为水平方向。主反光镜2初始位置与水平方向成夹角A时，相对零位光轴与水平方向成夹角A-45°。通过变更主反光镜2与水平方向的夹角来实现俯仰主光轴-10°～+60°(共70°)角度范围内的调节。设主反光镜2顺时针转动角度B，逆时针转动角度C，实现主光线俯仰-10°～+60°，则有：

A-45°+B*2＝60°；A-45°-C*2＝-10°

若A＝70°，则B＝C＝17.5°，此时需要的主反射镜尺寸最小，但是此时主光轴上扬角度为25°(A-X＝70°－45°)，会由于分光镜3绕球罩1中心旋转25°后导致筒壁直径增大较多；若主反射镜2与水平方向成45°夹角，即A＝45°，主光轴要实现-10°～+60°视角需求，需要主反射镜2顺时针旋转30°，逆时针旋转5°，但是由于红外热成像仪6长焦较长，摄像机5短焦视场角大，主反射镜2顺时针选择30°会使其在极限位置下有效口径剧增；若主反射镜2与水平成60°夹角，即A＝60°，主光轴要实现-10°～+60°视角需求，只需要主反射镜2顺时针旋转22.5°，逆时针旋转12.5°，可以降低主反射镜2的有效口径。

图3为A＝60°时的极限位置光路示意图，a为主反射镜2在顺时针转动后的极限位置，此时入射主光线与水平成60°夹角；b为主反射镜2在逆时针转动后的极限位置，此时入射主光线与水平成-10°夹角。

因此综合考虑空间尺寸的限制条件，主反光镜2选择合适的初始摆放角度值，通过主反射镜的初始摆放角度实现零位上移，减小主反射镜顺时针转动的角度，同时减小主反射镜旋转后尺寸增大的压力。可以使成像部分视轴与球罩1的竖直轴线形成夹角，同时增加筒内空间尺寸的有效利用率，减小结构尺寸的压力。

可见，主反光镜2的初始摆放角度为A时，主反光镜2顺时针转动角度B，逆时针转动角度C实现俯仰主光轴α～β角度范围内的调节，满足如下关系：

A-45°+B*2＝β；A-45°-C*2＝α

综合考虑空间尺寸的限制条件确定A的取值。

进一步地本实施例可以通过分光镜3透射可见光并反射红外光，从而使红外和可见光达到复合；通过探测头方位整体在球罩1中旋转，达到周视360°而无任何遮挡。同时该结构可以采取整体气密形式，减小了旋转气密结构设计难度和对体积及海水腐蚀等带来的压力。探测头整体转动不产生像旋，减小对成像部分的设计压力，同时有效减小了设计空间的需求。其中，球罩1采用蓝宝石材料，蓝宝石材料硬度高，耐腐蚀性能好，透光性能好，采用超半球结构形式，可实现周视无遮挡，没有像旋，减小设计难度和空间尺寸限制，为小型化提供了条件。

本实施例的复合式回转探测头中集成了制冷热像仪以及摄像机，其中制冷热像仪的工作波段3μm～5μm，热像仪有宽窄两个视场；摄像机的工作波段为0.4～0.9μm，拥有连续变化的视场范围。景物的可见光能量通过球罩进入，然后通过主反射镜2反射，分光镜3透射，并使其入射到电光传感器上；景物的红外光能量也通过球罩进入，然后通过主反射镜反射，分光镜和反光镜反射进入制冷热像仪的传感器上。该回转探测头通过主反射镜做俯仰旋转实现俯仰角度视轴需求；通过摄像机和红外热像仪在蓝宝石超半球球罩内方位360°旋转，实现周视成像无遮挡；同时由于探测头整体实现方位旋转，而不产生像旋，减小设计机构压力；同时该结构可以采取整体气密形式，减小了旋转气密结构设计难度和对体积及海水腐蚀等带来的压力。利用摄像机5图像直观，尤其是白天具有较好的图像分辨率，而红外热像仪在夜间具有更大的优势，因此摄像机5和红外热成像仪6相结合提高潜艇的观察能力。本实施例的复合式回转探测头达到了以下技术指标：探测头整体直径210mm，探测头整体总长600mm；摄像机5分辨率为1280*720，焦距32mm～160mm，变倍比5倍，相对孔径D/f为1/3～1/4.8，视场角13.8°×7.8°～2.8°×1.6°；红外热像仪6分辨率为640*512，焦距80mm/240mm，F5.5。主反射镜2、分光镜3、反光镜4与水平方向成60°夹角；主反射镜2与分光镜3距离为100mm，分光镜3和反射镜4间距离为85mm。

常规分光镜一般都采用半透半反结构即对所有波段采用50％透射50％反射，本实施例采用透可见光材料，并要求镀制可见光波段透射，红外波段反射，实现可见光和红外波段均有较高透过率。本发明分光镜3不采用半透半反结构形式，而是采用透可见光的材料，同时在其上表面镀制透可见光、反射红外光的膜层，从而使可见光的透过率从50％提高到95％，使红外光反射率从50％提高到90％。通过光效率的有效利用，达到探测灵敏度的提升，从而使探测头的作用距离提升。

本发明还可以将相同技术应用到可见光和短波红外，或者其他两种波段复合技术上；同时可应用到吊舱，光电跟踪仪，光电监控转台/云台等多种设备上。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种紧凑型复合式回转探测头，其特征在于，包括球罩(1)、主反射镜(2)、分光镜(3)、反光镜(4)、摄像机(5)以及红外热成像仪(6)、主反射镜镜架(7)、俯仰机构(8)、俯仰支架(9)、分光镜架(10)、反光镜架(11)、方位底盘(12)、方位座(13)、壳体(14)、方位壳体(15)以及方位法兰(16)；

其中，壳体(14)为两端开口的筒形结构，一端与球罩(1)对接并固定，另一端与方位底盘(12)和方位壳体(15)对接并固定，四者共同形成一个封闭的腔体；主反射镜(2)装在主反射镜架(7)上，主反射镜架(7)装在俯仰机构(8)上，主反射镜(2)可随俯仰机构(8)相对于主反射镜(2)与水平方向成45°的安装面做俯仰运动；

俯仰机构(8)与方位座(13)通过方位法兰(16)和俯仰支架(9)连接在一起，分光镜(3)固定在分光镜架(10)上，反光镜(4)固定在反光镜架(11)上，分光镜架(10)和反光镜架(11)直接安装在俯仰支架(9)上；摄像机(5)和红外热像仪(6)固定在俯仰支架(9)上，其中摄像机(5)朝向分光镜(3)，红外热像仪(6)朝向反射镜(4)；

所述封闭的腔体中的所有结构均跟随方位座(13)在所述封闭的腔体内做360°方位运动，其中，主反射镜(2)、分光镜(3)和反光镜(4)的镜面相互平行。

2.如权利要求1所述的复合式回转探测头，其特征在于，主反光镜(2)的初始摆放角度为A时，主反光镜(2)顺时针转动角度B，逆时针转动角度C实现俯仰主光轴α～β角度范围内的调节，满足如下关系：

A-45°+B*2＝β；A-45°-C*2＝α。

3.如权利要求1所述的复合式回转探测头，其特征在于，所述分光镜(3)上表面镀制透可见光、反射红外光的膜层。

4.如权利要求1所述的复合式回转探测头，其特征在于，所述球罩(1)采用超半球结构。

5.如权利要求1所述的复合式回转探测头，其特征在于，所述球罩(1)采用蓝宝石材料。

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