車載紅外探測設備的光機結構設計探索

馬洪濤　金輝　周興義

【摘 要】車載紅外線探測設備的光機結構主要的作用就是要實時的檢測空氣質量，該光機系統能夠360°高精度掃描反射鏡，利用有限元的方法實現該系統的靜力學分析，從而實現車載環境監測設備的結構穩定性和動態剛度等要求，本文就對該光機結構的設計進行研究。

【關鍵詞】車載紅外線探測設備；環境監測；光機結構

在改革開放的初級階段，國家在大力發展經濟的同時無暇顧及環境耳朵監測和治理，因此某些地區環境再遭到破壞之后沒有及時的進行治理，從而形成嚴重的霧霾天氣，給人們的生命健康帶來嚴重的威脅。近年來國民經濟和科學技術達到長足的發展，人們也考試認識到空氣質量對于人們的危害，因此開始空氣污染遠距離監測技術的研究，在經歷了激光毒劑報警技術、被動紅外線技術等階段指導現在的紅外探測設備的研究，我國科學家對于氣體監測的研究越發的深入，同樣取得了非常大的成績。本文就是針對目前所研究的車載紅外監測技術進行研究和具體的應用以及實際的應用，本文就從基于紅外見監測設備的車載光機結構的設計進行探討和分析。

一、車載紅外監測設備光機結構工作原理

在工作時由高精度的掃描機構對二維空間進行掃描，將污染性氣體所發出的特有的紅外輻射進行吸收，并且能夠預先處理信息同時對其所發出的信號進行準確的鑒別，將處理和鑒別的結果直接輸送到探測器內進行進行最后的分析，這樣在顯示界面便能夠將空氣中的污染物成分、種類、含量以及具體的位置等信息展示出來，為車主或者環境監測部門實時的提供準確的空氣污染情況，詳見圖1所示。

二、光機光學系統結構設計

在光機設計時一定要考慮安全因素和檢測位置的準確度情況，這樣才是獲取較高探測目標能量的基礎，與此同時還要保證探測設備的穩定性，該結構的主要的要求包含3點：（1）要具備足夠的強度以支撐光學系統，并能夠在水平方向和各個方位實現360°掃描；（2）要具備足夠的剛度，保證在正常的工作和運營時結構的穩定和定位的精準性；（3）具備緩沖作用防止在出現振動或者沖擊的情況下隨時保持結構的穩定，并能夠確保所探測的目標光束的穩定。

車載紅外探測設備的核心部位就是紅外光學系統，該系統的主要作用是：（1）要能夠接收并收集紅外輻射的能量；（2）能夠準確確定所探測目標的具體方向；（3）能夠在更大的視覺范圍內捕獲目標和相應的成像情況。紅外探測光學系統主要有3種類型，但是其各自的優缺點也非常的明顯。①折射式：優點是其結構非常的簡單，因此在安裝調試和維修都會非常的方便和易操作；缺點是不能完全的消除色差。②反射式的優點是能夠制作更大口徑的物鏡，其對于光能的損失非常少，與此同時在捕獲目標和成像時不會出現色差的情況，能夠折迭光路；但是美中不足的是其穩定性較差，軸外像差異非常明顯，利用金屬進行鍍層導致光的反射率出現降低的情況。③折反射式：該種類型的優點是可以將正球面的反射鏡的色差進行校正，該種類型的球面反射鏡加工相對比較簡單，加工成本比較低；其主要的缺點是會產生球差和場曲。紅外探測設備的光機系統其光學系統的選型也非常的重要，因此在設計的過程中不僅要考慮設備自身的重量同時還要保證獲取到準確的探測能量。

雜散光是光學系統中非正常傳輸光的總稱，雜散光主要產生于透射光、漏光學表面的參與反射，或者鏡筒內比的殘余反射光等。因此可以總結為散射光的產生原因主要是光學表面的質量問題，同時如果光機結構系統在工作時產生較大的熱量，那么熱輻射也會導致雜散光的產生。因此想要消除這些雜散光可以通過提升鏡面的反射率、在壓圈和精通內部設置消除雜散光槽，從而將大量的雜散光消除。

目前在車載紅外探測設備中主要使用的是望遠光學系統，常見的如格里高利系統和卡塞格林系統，本文就簡單介紹一下卡塞格林系統?？ㄈ窳窒到y的主鏡是拋物面、次鏡是雙曲面，次鏡在主鏡內部，在構造中主鏡的焦點和次鏡的其中一個焦點重合，而次鏡的另一個焦點將作為整個系統的焦點。該系統給的優點是焦距長、鏡筒短因此該系統結構非常緊促，更容易放置接收器件等；但是球面鏡加工難度較大。其結構如圖2所示。

（1）整體機械機構。在機械機構中空間二維掃描望遠系統是由反射鏡部件、防偽掃描部件、俯仰掃描部件以及隔震部件等組成，部件與部件之間采用圓柱定位進行連接，同時還使用螺釘進行緊固，這樣的連接方式其安裝、調試和后期的養護維修都非常的方便。在設計的過程中需要對該結構的整體重量盡可能的減輕處理，比如結構上的零件等進行輕量化處理，材料可以采用質量更輕但是剛度等均符合要求的鎂鋁合金材質。

（2）高精度二維掃描結構：二維掃描結構是整個紅外探測系統中的紅外望遠鏡設備，其工作的波段是1-15um，該系統就是在進行二維掃描時可以將遠距離的大面積的紅外輻射進行大量的收集，其結構示意圖詳見圖3所示。

在對二維掃描結構的設計中采用了渦輪蝸桿的連接方式，該鏈接桿的特點是結構緊湊、傳動比大，同時傳動的穩定性較好，工作時不會產生較大的噪音同時還具備非常好的自鎖功能，該結構采用了兩套蝸桿連接結構，這樣能夠保證其實現俯視、仰視、水平等各個方位360度無死角掃描。但是在掃描的過程中需要進行轉動，這樣會造成導線之間的纏繞，為了解決這種現象，該結構采用了導電結構，這樣杠桿之間實現導電，使得其導線的連接更加的方便，安全性也更高。

（3）隔振結構：一般安裝的車載結構都會受到來自兩個方面的作用力，分別是側向的沖擊作用和垂直向的沖擊作用，而這些沖擊力會導致探測的最終結果顯著下降。因此為了能夠降低沖擊載荷所帶來的影響，可以設計一些隔振結構來實現，比如在設備的底部和側部相對距離較大的位置分別安裝能夠起到穩定效用的隔振器，底部的主要是緩沖垂直方向的沖擊作用，而側面的隔振器則是消除側部的沖擊載荷作用。

三、結束語

車載紅外探測光機結構是采用高精度掃描反射鏡的結構來對遠距離的目標進行各個方位360度的掃描，并獲取收集所需要的信息，將所探測的空氣污染信息進行處理顯示的污染探測設備，通過對其主要功能和結構的介紹，能使人們更加了解在應用過程中對于車在環境的要求等，從而更好的進行探測作業。

參考文獻：

[1]鮑可慶.紅外技術探測原理及其在工業消防領域的應用[J].河南科技，2013（04 ）.

[2]王愛麗，王愛亮，任特.基于人工神經網絡的紅外探測效果評估[J].四川兵工學報，2014（03）.