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光學系統設計步驟范文1
【關鍵詞】機載同步；激光測距機；可靠性設計；分析和探究
1 引言
新形勢下，隨著科學技術的蓬勃發展，機載同步激光測距機的開發和應用也日益受到人們的廣泛關注和重視。機載同步激光測距機，主要通過發送和接收激光回波信號來判斷被測目標的具置距離，被廣泛應用于高壓電網架設、石油開采、道路建設及軍事部門等多個領域。通過對機載同步激光測距機可靠性設計的分析和探討，解決機載同步激光測距機關鍵技術中存在的問題，能夠進一步推動機載同步激光測距機的普及應用，并發揮出更為重要的作用。
2 機載同步激光測距機的可靠性設計
2.1 機載同步激光測距機的設計要求
根據火控總體的主要技術指標規定，機載同步激光測距機的工作波長應該保持在1.06um，測程在200m～10km，并在最大測程時，能見度必須達到15km，測距精度為±10m，重復的頻率最好設定在1Hz左右。機載同步激光測距機的連續工作時間，要求每工作10s，間隔30s，總共循環5次。在通訊方式上，可以選用RS422，工作溫度穩定在-30℃～﹢55℃之間，并保證重量在2.5kg左右，MTBF達500h。
2.2 機載同步激光測距機的組成、功能及設計特點
機載同步激光測距機的功能組成，主要有激光器件、激光發射電源、激光接收放大器、距離信息處理器和光學系統，以及低壓電源等幾個部分。且在系統結構上，具有結構一體化、分艙隔離的設計特點，在系統電路上，具有高低壓、強弱信號和信號與電源彼此之間相互隔離的設計特點。
（1）激光器件
激光器件是產生1.06um激光輻射的核心器件，通過在性能指標、剛性和絕緣性，以及體積、重量上，對激光器件實行優化設計，要求激光器件通過自然冷卻的方式，選擇非金屬材料作為聚光腔的設計材料，選擇染料片作為調Q元件，避免調Q軟件的干擾。
（2）激光發射電源
包括工作時序控制電路、主高壓形成電路和氙燈觸發電路，以及放電電路等在電路內的激光發射電源的主要功能，是為激光器件提供電源，保證激光器件正常工作，除此之外，激光發射電源還能夠提供復位信號給信息處理器。
（3）激光接收放大器
在探測到激光回波信號時，激光接收放大器還能夠將其進行放大和處理，從而發出關門信號，在距離信息處理器接收后，按要求完成操作。激光接收放大器在集成對數放大器技術的應用基礎上，不但促使其體積僅為常用電路1/4，同時也促使激光接收放大器的可靠性和抗干擾能力得到有效提高。
（4）距離信息處理器
距離信息處理器包括光取樣電路、門控電路、計數電路和晶振電路等電路在內，主要用于處理和發送距離信息。在AMD可編程邏輯技術的基礎上，距離信息處理器的高集成性、抗干擾性有了進一步提高，而且在功耗方面，也有所降低。
（5）光學系統
光學系統，包括發射和接收光學系統兩個部分。發射光學系統主要用于壓窄激光器件發射激光脈沖的發散角，促使機載同步測距機的能量密度得到提高，而接收光學系統，則能夠通過會聚的形式，將反射回來的光束聚集在雪崩光電探測器的光敏面上。
（6）低壓電源
低壓電源主要由兩個部分組成，即變壓器和±12V直流電壓與±5V直流電壓形成的電路共同組成。通過低壓電源，能夠將單相電源、交流115V電源轉換為機載同步激光測距機所需要的電源，維持激光測距機正常工作。
2.3 機載同步激光測距機的工作原理
機載同步激光測距機的工作原理，主要包括發射光束、接收并轉換光束、關門信號和開門信號等幾個步驟，大概分析如下。
（1）發射光束
在激光發射電源的基礎上，Nd：YAG固體激光器能夠產生工作波長為1.06um單脈沖激光束，并接受發射光學系統對發散角進行壓窄和擴展，由導向光學系統發射給目標。
（2）接收并轉換光束
由接收光學系統接收反射回來的單脈沖激光束，并在通過濾波后，再將單脈沖激光束會聚到雪崩光電探測器上實現光回波脈沖向電脈沖的轉換。
（3）關門信號
經由激光接收放大器放大、處理，將回波關門信號發送給距離信息處理器。
（4）開門信號
在距離信息處理器發射激光脈沖的同時，距離信息處理器會從光取樣電路上接收到到開門信號，并通過激光發射電源獲取同步復位信號，讓數字電路處于等待執行狀態。當開門信號被執行，電子門打開，計時器開始測量間隔脈沖，直到回波關門脈沖返回，電子門關閉，計時器同時停止工作。
2.4 機載同步激光測距機的設計及關鍵技術
（1）電磁兼容性
電磁兼容性，是機載同步激光測距機可靠性設計中的關鍵技術之一。在1Hz激光測距機中，觸發干擾經常出現，給整機其他電子線路造成了很大的電磁干擾。通過采取屏蔽觸發變壓器，控制輻射干擾范圍，或是采取觸發回路與其他電路電隔離，預防傳導干擾，或是在布局上進行分區隔離、在易受干擾的元件上加設濾波等幾種方式，能夠有效降低觸發干擾的發生。
（2）熱設計
機載同步激光測距機是通過自然冷卻的形式散發元件工作時產生的熱量的，為了保證機載同步激光測距機能夠長時間工作，防止溫度過高損壞元件，在激光器件的通道設計上，需要注重其傳導散熱的良好性能。
（3）降額設計
在脈沖激光測距機的日常工作中，很多元件往往需要在超負荷的狀態下工作，長此以往，很容易降低元件使用壽命，對元件造成損壞。為此，在進行可靠性設計時，應該注重元件的耐壓、功耗及變化率等方面的設計。
（4）可靠性設計
根據《航空機載設備可靠性維修性工程應用手冊》來看，有源器件與平均故障間隔時間主要呈曲線關系變化，激光測距機的平均無故障時間MTBF大概在900h，在手冊的可靠性等級之中。
（5）連續無故障時間（MTBF）
機載同步激光測距機的可靠性設計，要求MTBF值達到500h。根據不同的情況，需要考慮分析的差異也不同。
例如：某激光測距機主要由A、B、C、D四個構件構成，連續無故障時間T=480h如下所示，現為提高該激光測距機的可靠性，要求將X材料換掉，由Y材料代替，預計改進后的連續無故障時間能否達到可靠性要求？
A.1100h B.2000h C.2050h D.6000h
根據分析，激光測距機主要是材料發生變化，對于只需對X、Y材料做抗拉試驗、彈性模量、系統剛度、強度和熱膨脹系數、導熱系數，以及材料密度、伸長率等進行分析，得出Y材料可使D的T提高20%。因此，
新T（D）=6000×（1+20%）=7200h
改進后的整體產品T=1/（1/1000+1/2000+1/2050+1/6000）=504h
3 結束語
通過對機載同步激光測距機的可靠性設計的研究，能夠在加深人們對機載同步激光測距機的認識和了解的同時，幫助提高機載同步激光測距機的抗干擾能力，降低能耗，延長其使用壽命，從而進一步推動機載同步激光測距機的普及應用。
參考文獻：
[1]魏炳鑫.機載激光測距機光學系統設計中的幾個問題[J].機載火控，2004（01）.
光學系統設計步驟范文2
1電子槍結構尺寸初步設計
當前有許多微波管電子光學系統設計軟件可以完成電子槍的設計,但是這些軟件需要給出一定恰當的計算初值,才能減少計算量和仿真時間。因此,較為準確的初始值對于電子槍的設計非常重要。傳統的初值設置一般采用圖解法與縮尺法。這兩種方法都很依賴設計者的經驗,并且設計周期長,耗費精力大。aughan在1981年提出的迭代綜合法[6],能夠快速的確定電子槍的設計初值。根據給出陰極發射電流密度Jc、電子注電壓U、注電流I和注腰半徑rw,就可以通過迭代綜合法計算得到電子槍的主要結構參數,包括陰極半徑rc,陰極曲率半徑Rc,陽極孔半徑ra,陽極孔軸向位置Zac及注腰位置Zw[7-9]。雙陽極電子槍采用皮爾斯型設計,聚焦極(BFE)與陰極同電位,第一陽極A0作為控制陽極(約2•5k),第二陽極A1作為離子拒止陽極(9k),接地陽極A2(8•9k)?？刂脐枠O可以在不改變電子槍加速電壓的情況下,以較小的電壓調節器件的電流(導流系數)變化,達到控制器件的目的?；谠O計要求,應用迭代綜合法計算得到了電子槍的初始值如表1所示。對雙陽極電子槍而言,迭代綜合法計算的是第二陽極的陽極孔半徑及位置。電極形狀需要根據經驗和多次計算修改確定。依據迭代綜合法數據利用EGUN軟件仿真得到的初步結果如表1和圖1所示。該結果表明迭代綜合法的有效性,雖然Zw=20•1mm滿足射程要求,但其中導流系數比設計目標值大,電子注的注腰半徑也過大,需要重新設計相關參數。由于導流系數過大,將陰極半徑rc減小為1•30mm,增大第二陽極孔半徑ra。在陰極和第二陽極A1之間加入第一陽極A0,由圖1可以看出,第二陽極和聚焦極之間的電位近似線性分布,則第一陽極與聚焦極軸向距離ZBFE-A0由其電壓和第二陽極與聚焦極軸向距離ZBFE-A1決定,ZBFE-A0≈ZBFE-A1×(UA0/UA1),根據設計要求初步選取UA0=2•50k;選取第二陽極孔半徑ra值的2倍作為第一陽極孔半徑rA1,部分參數如表2所示。適當調整重新仿真后,得到新設計的結果如表1及圖2和圖3所示。根據圖3所示,線性調節控制陽極電壓,陰極發射電流也發生相應的變化,也就是說,控制陽極可以在不改變電子槍加速電壓的情況下,以較小的電壓調節器件的導流系數的變化。當導流系數P=0•07μP的時候,控制陽極電壓為UA0=2•58k。由圖2知道,雖然重新仿真得到的導流系數已經很接近設計目標,Zw=23•13mm也滿足射程要求,但注腰半徑值過小,層流性也不佳。
2優化目標函數
電子槍初步設計得到的數據沒有達到設計要求,需要進一步調整優化電子槍結構參數以滿足目標要求。但是電子槍結構參數每一次調整都會使導流系數、注腰半徑、層流性等性能參數發生不同程度的改變,單純依據經驗調節修改,不但周期長,還要耗費大量精力,并且不一定能獲得好的結果。因此建立一個綜合評價電子槍性能參數的目標函數以量化優化結果,那么在對結構參數進行調整的時候,可以使優化目標更加明確。假設導流系數、注腰半徑參數的設計目標為Pd、rd,而實際的結果為P和r。電子注良好的層流性要求電子軌跡間交叉少,注腰區間內各軌跡線盡可能互相平行,因此可以用各條電子軌跡的徑向最小值ri和位置zi,以及注腰位置的軌跡函數(r/z)2i|z=zw來表征層流性[10-13]式中,n為電子軌跡總條數,i指的是從最外層軌跡起第i條軌跡,a,b為權重。在結構基本確定以后,射程滿足設計要求,對部分結構參數進行細微調整,注腰位置變化不大,不影響設計要求。但空間行波管對導流系數和注腰半徑要求嚴格,所以將優化目標函數寫成同的權值,就可以評價電子槍的電子注性能?？臻g行波管對電子槍的注腰半徑和層流性要求較高,所以將權值設置為a=1,b=100,A=1,B=1000,C=1。
3量子粒子群算法優化目標函數
量子粒子群(Quantum-behaedparticleswarmopti-mization,QPSO)算法是從量子力學角度出發[14-15],以DELTA勢阱為基礎,認為粒子具有量子行為,粒子的速度和位置不能同時確定,通過波函數來描述粒子的狀態,并通過求解薛定諤方程得到粒子在空間某一點出現的概率密度函數,又通過蒙特卡羅隨機模擬方式得到粒子的位置方程,這使粒子可以在整個可行解空間中進行探索尋找全局粒子位置最優解,進而求解優化問題。假設在D維搜索空間中,粒子種群規模為m,xi=(xi1,xi2,…,xiD)是粒子在D維空間中的當前位置,pid=(pi1,pi2,…,piD)是第i個粒子迄今為止搜索到的最優位置,在整個種群中至少有一個粒子是最好的,將其編號為g,則pgd=(pg1,pg2,…,pgD)就是種群搜索到的最優位置。在進化中粒子以一定概率加或減更新粒子的位置,生成新的粒子種群。主要迭代公式如下式中,r1,r2和u是[0,1]的隨機數,mbest是平均最優位置,β是收縮擴張系數,其影響單個粒子的收斂速度和算法的性能,T為總的迭代次數,t是當前迭代次數。QPSO算法具體步驟如下:(1)初始化粒子群,設定參數;(2)評價各個粒子的適應度,即求解各個粒子的目標函數值;(3)對每個粒子,比較當前目標函數F(xi)與歷史最優位置目標函數F(pid):如果F(xi)<F(pid),則pid=xi;(4)比較種群每個粒子當前目標函數F(xi)與種群當前最優位置目標函數F(pgd):如果F(xi)<F(pgd),則pgd=xi;(5)重新計算平均最優位置mbest,更新種群xi+1;(6)檢測結束條件,若滿足則結束尋優,返回當前個體最優結果;否則t=t+1,轉到步驟(2)。設定結束條件為尋優達到最大迭代次數T,或者目標函數達到相應的精度。
光學系統設計步驟范文3
1設計方案
本設計主要針對一款智能窗進行了設計，通過將各種傳感器用ZigBee組網的方式將所有采集到的數據發送到MSP430F149為核心的控制板，在MSP430F149中對各種數據分別進行分析判斷，進而來控制步進電機來實現窗戶的開關。本設計采用的是現場總線控制系統，這種控制系統有很多優點：（1）在整個系統中，由現場各種傳感器與集成到控制板上的協調器等節點組成的整個ZigBee網絡之間的信號傳輸，以及顯示終端通過網關與ZigBee網絡之間的相互通信，使用的都是數字信號，這大大提高了信號傳輸的可靠性和精度；采用無線網絡通信，省去了現場布線帶來的安裝復雜，維護不方便，安全性能差等缺陷。（2）本設計把傳統的分布控制系統中輸入/輸出單元以及控制站的功能分散到了帶有傳感器的ZigBee網絡終端節點中。每個信息采集終端節點都帶有一個CC2530作為CPU，可獨立地進行數據的采集，并具有信息的診斷以及信息的校正、補償等功能，并靠ZigBee網絡協議把它們連接在一起統籌工作。這些終端節點的功能單一，每個終端節點都只對一種數據信息進行采集。所以，當整個系統中的任何一個終端節點出現問題影響到的僅僅是其本身，整個系統不會因此而癱瘓。這使得現場設備的自治性加強，使系統性能全面提高，系統變得更加可靠。（3）在本設計中我們將不同廠商生產的各種傳感器以及核心控制器通過ZigBee組網的方式組成了一個統一的系統后，便可實現這些產品的相互操作。（4）在本設計中采用的是ZigBee模塊，MSP430，Wi模塊三者構成的網關來連接ZigBee通信網絡和Internet通信網絡的。通過網關，ZigBee網絡的終端節點可以將采集的數據信息傳送的Web服務器，用戶可以通過Internet網絡瀏覽系統的終端顯示界面；同時用戶也可以Internet網絡操控系統的終端顯示界面上的一些控制按鈕，對ZigBee網絡的終端節點下達一些控制指令。（5）本設計中采用的是ZigBee網絡通信和結構，整個網絡是由協調器、終端節點構成星形拓撲結構網絡，這種拓撲結構可以將整個家庭的空間連結成一個統一的整體。傳輸媒介和網絡拓撲結構的多樣性對實現整個系統的無線化、網絡化很有幫助，并且這一特點給整個智能控制系統的施工帶來很大的方便。（6）根據自己的需求用戶可以配置不同功能的終端節點，來滿足自己對整個系統性能的要求。并且用戶可以根據不同時期，不同場合，隨時通過改變終端節點的功能，來改變整個控制系統的性能指標。
2硬件系統設計
系統硬件結構框圖如圖1所示，包括MSP430F149與各模塊及遙控器接口電路、ZigBee模塊和Wi模塊。
2.1控制器控制器選用MSP430F149，其主要任務是通過串口通信方式讀取ZigBee協調器數據，并把數據在進行分析判斷，然后將數據按類別存到FLASH芯片中的各自相應的存儲區域，然后再從FLASH芯片中讀取出數據通過串口通信的方式把數據傳送給Wi模塊，經Wi模塊將數據傳送到Web服務器。
2.2ZigBee終端節點模塊電路設計CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統解決方案，結合了ZigBee協議棧，提供了一個完整并且強大的ZigBee解決方案。
2.3網關的設計網關的設計主要由三部分構成：ZigBee網絡協調器、MSP430F149、Wi模塊。ZigBee協調器采用CC2530芯片，主要作用是發出建網命令組建ZigBee網絡，給網絡中各個節點分配網絡地址，它是整個ZigBee網絡的數據結合點?，F場ZigBee網絡的終端節點進行采集數據，然后把采集到的信息都傳送給協調器節點，協調器并不把數據進行存儲，所以要把數據實時傳送給MSP430F149。
2.4傳感器選擇該系統選用2個溫濕度傳感器、2個光照強度傳感器、1個風雨傳感器、1個紅外傳感器、1個煤氣探測器、1個煙感探測器、2個限位開關。其中室外安裝1個溫濕度傳感器、1個光照強度傳感器、1個風雨傳感器，2個限位開關分別安裝在窗門機構和窗簾機構上，其他傳感器安裝在室內相關的地方。溫濕度傳感器：本系統采用數字式溫濕度傳感器DHT11，濕度測量范圍為20%~90%，溫度測量范圍為0~50℃。光照強度傳感器：采用NH207照度傳感器，輸出為0~2V電壓信號或4~20mA電流信號，量程可在0~2Klx、0~20Klx與0~200Klx之間自動切換。風雨傳感器：技術參數為，電源電壓DC24V，風感3s響應，雨感25s響應。風感、雨感只在刮風或下雨達到所設定的風速或雨量時才發出感應信號給CPU。限位開關：選用非接觸式限位開關，本系統選用光電傳感器ST178來檢測窗門機構和窗簾機構的運動位置。紅外傳感器：在本系統中紅外傳感器主要用于防盜作用，采用被動紅外線探測器。一旦有人體紅外線輻射進來，經光學系統聚焦就使熱釋電器件產生突變電信號，而發出警報。煤氣泄漏檢測我們采用的是MQ-2可燃氣體傳感器。該傳感器適用于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、煙霧等的檢測，這款傳感器可通過對與其集成在一起的比較器上的電位器進行調節來改變它對可燃氣體以及煙霧的敏感性，當室內空氣中可燃氣體或煙霧的含量超過它的敏感閾值的時候，它輸出的信號將發生由高電平到低電平的跳變。
2.5開窗機構設計系統選用兩臺步進電機分別驅動窗門機構、窗簾開關機構運行，實現所設計智能窗的運動功能。步進電機的驅動器，選擇的是A3977。
2.6遙控器選用系統選用CDTFl000．12A遙控器與CD—JSCONR一12PC無線接收控制器。該遙控器用電池供電，供電電壓DC12V，具有12路遙控信號。通過無線電磁波傳播信號，采集30m以內的控制信號，通過中間繼電器的轉換，把該信號輸入到CPU，完成對步進電機的控制。
3軟件系統設計
軟件系統設計包括ZigBee組網、數據信息采集及處理、Wi模塊的配置、顯示終端配置幾大部分。圖2與圖3為數據信息采集及處理流程圖。組建一個完整的ZigBee網絡有兩個步驟：一是網絡初始化，另一步是節點（路由器節點或終端節點）加入網絡。Wi模塊的配置。在本設計中，將該模塊時配置成客戶端模式，選擇串口轉Wi中的無線網卡模式，網絡協議選擇TCP客戶端，設置需要連接的TCP服務器的IP、端口號，與服務器連接。本設計的顯示終端采用的是網站的網頁形式，MSP430F149將數據傳送到Web服務器，服務器再將數據調出并在網頁上顯示。監控網站主要由三部分組成：前臺服務器界面、后臺Windows服務、數據庫。本設計中各種情況的處理是通過中斷完成的，程序中各中斷的優先級由高到低依次為：限位開關中斷、遙控中斷、按鍵開關中斷、入侵中斷、燃氣泄漏中斷、風雨中斷、溫濕度中斷和光照中斷。
4調試結果分析
設定正常舒適溫度為25℃，濕度為25%，然后人為升高室內溫度和溫度，觀察智能窗的動作。當室內溫度或濕度超過設定值時，智能窗會執行開窗動作。當窗戶到達右側限位開關時，窗戶停止。溫濕度正常及過高時，終端顯示分別如圖4與圖5所示。采用釋放可燃氣模擬家庭內部煤氣泄漏的狀況的發生，經過測試，當窗戶初始狀態為打開時，釋放可燃氣體后，步進電機帶動使窗戶緩緩打開，當窗戶到達右側限位開關處，窗戶停止。從終端顯示界面上看到煤氣狀態信息變為泄漏，窗戶的狀態為打開。若窗戶的初始狀態為完全打開，當釋放可燃氣體后，步進電機未動作，然而終端顯示界面上煤氣狀態信息變為了泄漏，窗戶的狀態為打開。終端顯示界面如圖6所示。當模擬入侵時，若窗戶初始狀態為關閉，則步進電機不會動作。若窗戶初始狀態為完全打開或半打開，則步進電機帶動窗戶緩緩關閉，當到達左側限位開關處步進電機停止動作，窗戶停止。終端顯示界面同時也會發出報警，并且盜情狀態信息欄中信息狀態變為異常，窗戶狀態為關閉。終端顯示界面如圖7所示。
5結束語
