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光学系统设计步骤范文1
【关键词】机载同步；激光测距机；可靠性设计；分析和探究
1 引言
新形势下，随着科学技术的蓬勃发展，机载同步激光测距机的开发和应用也日益受到人们的广泛关注和重视。机载同步激光测距机，主要通过发送和接收激光回波信号来判断被测目标的具置距离，被广泛应用于高压电网架设、石油开采、道路建设及军事部门等多个领域。通过对机载同步激光测距机可靠性设计的分析和探讨，解决机载同步激光测距机关键技术中存在的问题，能够进一步推动机载同步激光测距机的普及应用，并发挥出更为重要的作用。
2 机载同步激光测距机的可靠性设计
2.1 机载同步激光测距机的设计要求
根据火控总体的主要技术指标规定，机载同步激光测距机的工作波长应该保持在1.06um，测程在200m～10km，并在最大测程时，能见度必须达到15km，测距精度为±10m，重复的频率最好设定在1Hz左右。机载同步激光测距机的连续工作时间，要求每工作10s，间隔30s，总共循环5次。在通讯方式上，可以选用RS422，工作温度稳定在-30℃～﹢55℃之间，并保证重量在2.5kg左右，MTBF达500h。
2.2 机载同步激光测距机的组成、功能及设计特点
机载同步激光测距机的功能组成，主要有激光器件、激光发射电源、激光接收放大器、距离信息处理器和光学系统，以及低压电源等几个部分。且在系统结构上，具有结构一体化、分舱隔离的设计特点，在系统电路上，具有高低压、强弱信号和信号与电源彼此之间相互隔离的设计特点。
（1）激光器件
激光器件是产生1.06um激光辐射的核心器件，通过在性能指标、刚性和绝缘性，以及体积、重量上，对激光器件实行优化设计，要求激光器件通过自然冷却的方式，选择非金属材料作为聚光腔的设计材料，选择染料片作为调Q元件，避免调Q软件的干扰。
（2）激光发射电源
包括工作时序控制电路、主高压形成电路和氙灯触发电路，以及放电电路等在电路内的激光发射电源的主要功能，是为激光器件提供电源，保证激光器件正常工作，除此之外，激光发射电源还能够提供复位信号给信息处理器。
（3）激光接收放大器
在探测到激光回波信号时，激光接收放大器还能够将其进行放大和处理，从而发出关门信号，在距离信息处理器接收后，按要求完成操作。激光接收放大器在集成对数放大器技术的应用基础上，不但促使其体积仅为常用电路1/4，同时也促使激光接收放大器的可靠性和抗干扰能力得到有效提高。
（4）距离信息处理器
距离信息处理器包括光取样电路、门控电路、计数电路和晶振电路等电路在内，主要用于处理和发送距离信息。在AMD可编程逻辑技术的基础上，距离信息处理器的高集成性、抗干扰性有了进一步提高，而且在功耗方面，也有所降低。
（5）光学系统
光学系统，包括发射和接收光学系统两个部分。发射光学系统主要用于压窄激光器件发射激光脉冲的发散角，促使机载同步测距机的能量密度得到提高，而接收光学系统，则能够通过会聚的形式，将反射回来的光束聚集在雪崩光电探测器的光敏面上。
（6）低压电源
低压电源主要由两个部分组成，即变压器和±12V直流电压与±5V直流电压形成的电路共同组成。通过低压电源，能够将单相电源、交流115V电源转换为机载同步激光测距机所需要的电源，维持激光测距机正常工作。
2.3 机载同步激光测距机的工作原理
机载同步激光测距机的工作原理，主要包括发射光束、接收并转换光束、关门信号和开门信号等几个步骤，大概分析如下。
（1）发射光束
在激光发射电源的基础上，Nd：YAG固体激光器能够产生工作波长为1.06um单脉冲激光束，并接受发射光学系统对发散角进行压窄和扩展，由导向光学系统发射给目标。
（2）接收并转换光束
由接收光学系统接收反射回来的单脉冲激光束，并在通过滤波后，再将单脉冲激光束会聚到雪崩光电探测器上实现光回波脉冲向电脉冲的转换。
（3）关门信号
经由激光接收放大器放大、处理，将回波关门信号发送给距离信息处理器。
（4）开门信号
在距离信息处理器发射激光脉冲的同时，距离信息处理器会从光取样电路上接收到到开门信号，并通过激光发射电源获取同步复位信号，让数字电路处于等待执行状态。当开门信号被执行，电子门打开，计时器开始测量间隔脉冲，直到回波关门脉冲返回，电子门关闭，计时器同时停止工作。
2.4 机载同步激光测距机的设计及关键技术
（1）电磁兼容性
电磁兼容性，是机载同步激光测距机可靠性设计中的关键技术之一。在1Hz激光测距机中，触发干扰经常出现，给整机其他电子线路造成了很大的电磁干扰。通过采取屏蔽触发变压器，控制辐射干扰范围，或是采取触发回路与其他电路电隔离，预防传导干扰，或是在布局上进行分区隔离、在易受干扰的元件上加设滤波等几种方式，能够有效降低触发干扰的发生。
（2）热设计
机载同步激光测距机是通过自然冷却的形式散发元件工作时产生的热量的，为了保证机载同步激光测距机能够长时间工作，防止温度过高损坏元件，在激光器件的通道设计上，需要注重其传导散热的良好性能。
（3）降额设计
在脉冲激光测距机的日常工作中，很多元件往往需要在超负荷的状态下工作，长此以往，很容易降低元件使用寿命，对元件造成损坏。为此，在进行可靠性设计时，应该注重元件的耐压、功耗及变化率等方面的设计。
（4）可靠性设计
根据《航空机载设备可靠性维修性工程应用手册》来看，有源器件与平均故障间隔时间主要呈曲线关系变化，激光测距机的平均无故障时间MTBF大概在900h，在手册的可靠性等级之中。
（5）连续无故障时间（MTBF）
机载同步激光测距机的可靠性设计，要求MTBF值达到500h。根据不同的情况，需要考虑分析的差异也不同。
例如：某激光测距机主要由A、B、C、D四个构件构成，连续无故障时间T=480h如下所示，现为提高该激光测距机的可靠性，要求将X材料换掉，由Y材料代替，预计改进后的连续无故障时间能否达到可靠性要求？
A.1100h B.2000h C.2050h D.6000h
根据分析，激光测距机主要是材料发生变化，对于只需对X、Y材料做抗拉试验、弹性模量、系统刚度、强度和热膨胀系数、导热系数，以及材料密度、伸长率等进行分析，得出Y材料可使D的T提高20%。因此，
新T（D）=6000×（1+20%）=7200h
改进后的整体产品T=1/（1/1000+1/2000+1/2050+1/6000）=504h
3 结束语
通过对机载同步激光测距机的可靠性设计的研究，能够在加深人们对机载同步激光测距机的认识和了解的同时，帮助提高机载同步激光测距机的抗干扰能力，降低能耗，延长其使用寿命，从而进一步推动机载同步激光测距机的普及应用。
参考文献：
[1]魏炳鑫.机载激光测距机光学系统设计中的几个问题[J].机载火控，2004（01）.
光学系统设计步骤范文2
1电子枪结构尺寸初步设计
当前有许多微波管电子光学系统设计软件可以完成电子枪的设计,但是这些软件需要给出一定恰当的计算初值,才能减少计算量和仿真时间。因此,较为准确的初始值对于电子枪的设计非常重要。传统的初值设置一般采用图解法与缩尺法。这两种方法都很依赖设计者的经验,并且设计周期长,耗费精力大。aughan在1981年提出的迭代综合法[6],能够快速的确定电子枪的设计初值。根据给出阴极发射电流密度Jc、电子注电压U、注电流I和注腰半径rw,就可以通过迭代综合法计算得到电子枪的主要结构参数,包括阴极半径rc,阴极曲率半径Rc,阳极孔半径ra,阳极孔轴向位置Zac及注腰位置Zw[7-9]。双阳极电子枪采用皮尔斯型设计,聚焦极(BFE)与阴极同电位,第一阳极A0作为控制阳极(约2•5k),第二阳极A1作为离子拒止阳极(9k),接地阳极A2(8•9k)。控制阳极可以在不改变电子枪加速电压的情况下,以较小的电压调节器件的电流(导流系数)变化,达到控制器件的目的。基于设计要求,应用迭代综合法计算得到了电子枪的初始值如表1所示。对双阳极电子枪而言,迭代综合法计算的是第二阳极的阳极孔半径及位置。电极形状需要根据经验和多次计算修改确定。依据迭代综合法数据利用EGUN软件仿真得到的初步结果如表1和图1所示。该结果表明迭代综合法的有效性,虽然Zw=20•1mm满足射程要求,但其中导流系数比设计目标值大,电子注的注腰半径也过大,需要重新设计相关参数。由于导流系数过大,将阴极半径rc减小为1•30mm,增大第二阳极孔半径ra。在阴极和第二阳极A1之间加入第一阳极A0,由图1可以看出,第二阳极和聚焦极之间的电位近似线性分布,则第一阳极与聚焦极轴向距离ZBFE-A0由其电压和第二阳极与聚焦极轴向距离ZBFE-A1决定,ZBFE-A0≈ZBFE-A1×(UA0/UA1),根据设计要求初步选取UA0=2•50k;选取第二阳极孔半径ra值的2倍作为第一阳极孔半径rA1,部分参数如表2所示。适当调整重新仿真后,得到新设计的结果如表1及图2和图3所示。根据图3所示,线性调节控制阳极电压,阴极发射电流也发生相应的变化,也就是说,控制阳极可以在不改变电子枪加速电压的情况下,以较小的电压调节器件的导流系数的变化。当导流系数P=0•07μP的时候,控制阳极电压为UA0=2•58k。由图2知道,虽然重新仿真得到的导流系数已经很接近设计目标,Zw=23•13mm也满足射程要求,但注腰半径值过小,层流性也不佳。
2优化目标函数
电子枪初步设计得到的数据没有达到设计要求,需要进一步调整优化电子枪结构参数以满足目标要求。但是电子枪结构参数每一次调整都会使导流系数、注腰半径、层流性等性能参数发生不同程度的改变,单纯依据经验调节修改,不但周期长,还要耗费大量精力,并且不一定能获得好的结果。因此建立一个综合评价电子枪性能参数的目标函数以量化优化结果,那么在对结构参数进行调整的时候,可以使优化目标更加明确。假设导流系数、注腰半径参数的设计目标为Pd、rd,而实际的结果为P和r。电子注良好的层流性要求电子轨迹间交叉少,注腰区间内各轨迹线尽可能互相平行,因此可以用各条电子轨迹的径向最小值ri和位置zi,以及注腰位置的轨迹函数(r/z)2i|z=zw来表征层流性[10-13]式中,n为电子轨迹总条数,i指的是从最外层轨迹起第i条轨迹,a,b为权重。在结构基本确定以后,射程满足设计要求,对部分结构参数进行细微调整,注腰位置变化不大,不影响设计要求。但空间行波管对导流系数和注腰半径要求严格,所以将优化目标函数写成同的权值,就可以评价电子枪的电子注性能。空间行波管对电子枪的注腰半径和层流性要求较高,所以将权值设置为a=1,b=100,A=1,B=1000,C=1。
3量子粒子群算法优化目标函数
量子粒子群(Quantum-behaedparticleswarmopti-mization,QPSO)算法是从量子力学角度出发[14-15],以DELTA势阱为基础,认为粒子具有量子行为,粒子的速度和位置不能同时确定,通过波函数来描述粒子的状态,并通过求解薛定谔方程得到粒子在空间某一点出现的概率密度函数,又通过蒙特卡罗随机模拟方式得到粒子的位置方程,这使粒子可以在整个可行解空间中进行探索寻找全局粒子位置最优解,进而求解优化问题。假设在D维搜索空间中,粒子种群规模为m,xi=(xi1,xi2,…,xiD)是粒子在D维空间中的当前位置,pid=(pi1,pi2,…,piD)是第i个粒子迄今为止搜索到的最优位置,在整个种群中至少有一个粒子是最好的,将其编号为g,则pgd=(pg1,pg2,…,pgD)就是种群搜索到的最优位置。在进化中粒子以一定概率加或减更新粒子的位置,生成新的粒子种群。主要迭代公式如下式中,r1,r2和u是[0,1]的随机数,mbest是平均最优位置,β是收缩扩张系数,其影响单个粒子的收敛速度和算法的性能,T为总的迭代次数,t是当前迭代次数。QPSO算法具体步骤如下:(1)初始化粒子群,设定参数;(2)评价各个粒子的适应度,即求解各个粒子的目标函数值;(3)对每个粒子,比较当前目标函数F(xi)与历史最优位置目标函数F(pid):如果F(xi)<F(pid),则pid=xi;(4)比较种群每个粒子当前目标函数F(xi)与种群当前最优位置目标函数F(pgd):如果F(xi)<F(pgd),则pgd=xi;(5)重新计算平均最优位置mbest,更新种群xi+1;(6)检测结束条件,若满足则结束寻优,返回当前个体最优结果;否则t=t+1,转到步骤(2)。设定结束条件为寻优达到最大迭代次数T,或者目标函数达到相应的精度。
光学系统设计步骤范文3
1设计方案
本设计主要针对一款智能窗进行了设计，通过将各种传感器用ZigBee组网的方式将所有采集到的数据发送到MSP430F149为核心的控制板，在MSP430F149中对各种数据分别进行分析判断，进而来控制步进电机来实现窗户的开关。本设计采用的是现场总线控制系统，这种控制系统有很多优点：（1）在整个系统中，由现场各种传感器与集成到控制板上的协调器等节点组成的整个ZigBee网络之间的信号传输，以及显示终端通过网关与ZigBee网络之间的相互通信，使用的都是数字信号，这大大提高了信号传输的可靠性和精度；采用无线网络通信，省去了现场布线带来的安装复杂，维护不方便，安全性能差等缺陷。（2）本设计把传统的分布控制系统中输入/输出单元以及控制站的功能分散到了带有传感器的ZigBee网络终端节点中。每个信息采集终端节点都带有一个CC2530作为CPU，可独立地进行数据的采集，并具有信息的诊断以及信息的校正、补偿等功能，并靠ZigBee网络协议把它们连接在一起统筹工作。这些终端节点的功能单一，每个终端节点都只对一种数据信息进行采集。所以，当整个系统中的任何一个终端节点出现问题影响到的仅仅是其本身，整个系统不会因此而瘫痪。这使得现场设备的自治性加强，使系统性能全面提高，系统变得更加可靠。（3）在本设计中我们将不同厂商生产的各种传感器以及核心控制器通过ZigBee组网的方式组成了一个统一的系统后，便可实现这些产品的相互操作。（4）在本设计中采用的是ZigBee模块，MSP430，Wi模块三者构成的网关来连接ZigBee通信网络和Internet通信网络的。通过网关，ZigBee网络的终端节点可以将采集的数据信息传送的Web服务器，用户可以通过Internet网络浏览系统的终端显示界面；同时用户也可以Internet网络操控系统的终端显示界面上的一些控制按钮，对ZigBee网络的终端节点下达一些控制指令。（5）本设计中采用的是ZigBee网络通信和结构，整个网络是由协调器、终端节点构成星形拓扑结构网络，这种拓扑结构可以将整个家庭的空间连结成一个统一的整体。传输媒介和网络拓扑结构的多样性对实现整个系统的无线化、网络化很有帮助，并且这一特点给整个智能控制系统的施工带来很大的方便。（6）根据自己的需求用户可以配置不同功能的终端节点，来满足自己对整个系统性能的要求。并且用户可以根据不同时期，不同场合，随时通过改变终端节点的功能，来改变整个控制系统的性能指标。
2硬件系统设计
系统硬件结构框图如图1所示，包括MSP430F149与各模块及遥控器接口电路、ZigBee模块和Wi模块。
2.1控制器控制器选用MSP430F149，其主要任务是通过串口通信方式读取ZigBee协调器数据，并把数据在进行分析判断，然后将数据按类别存到FLASH芯片中的各自相应的存储区域，然后再从FLASH芯片中读取出数据通过串口通信的方式把数据传送给Wi模块，经Wi模块将数据传送到Web服务器。
2.2ZigBee终端节点模块电路设计CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案，结合了ZigBee协议栈，提供了一个完整并且强大的ZigBee解决方案。
2.3网关的设计网关的设计主要由三部分构成：ZigBee网络协调器、MSP430F149、Wi模块。ZigBee协调器采用CC2530芯片，主要作用是发出建网命令组建ZigBee网络，给网络中各个节点分配网络地址，它是整个ZigBee网络的数据结合点。现场ZigBee网络的终端节点进行采集数据，然后把采集到的信息都传送给协调器节点，协调器并不把数据进行存储，所以要把数据实时传送给MSP430F149。
2.4传感器选择该系统选用2个温湿度传感器、2个光照强度传感器、1个风雨传感器、1个红外传感器、1个煤气探测器、1个烟感探测器、2个限位开关。其中室外安装1个温湿度传感器、1个光照强度传感器、1个风雨传感器，2个限位开关分别安装在窗门机构和窗帘机构上，其他传感器安装在室内相关的地方。温湿度传感器：本系统采用数字式温湿度传感器DHT11，湿度测量范围为20%~90%，温度测量范围为0~50℃。光照强度传感器：采用NH207照度传感器，输出为0~2V电压信号或4~20mA电流信号，量程可在0~2Klx、0~20Klx与0~200Klx之间自动切换。风雨传感器：技术参数为，电源电压DC24V，风感3s响应，雨感25s响应。风感、雨感只在刮风或下雨达到所设定的风速或雨量时才发出感应信号给CPU。限位开关：选用非接触式限位开关，本系统选用光电传感器ST178来检测窗门机构和窗帘机构的运动位置。红外传感器：在本系统中红外传感器主要用于防盗作用，采用被动红外线探测器。一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。煤气泄漏检测我们采用的是MQ-2可燃气体传感器。该传感器适用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等的检测，这款传感器可通过对与其集成在一起的比较器上的电位器进行调节来改变它对可燃气体以及烟雾的敏感性，当室内空气中可燃气体或烟雾的含量超过它的敏感阈值的时候，它输出的信号将发生由高电平到低电平的跳变。
2.5开窗机构设计系统选用两台步进电机分别驱动窗门机构、窗帘开关机构运行，实现所设计智能窗的运动功能。步进电机的驱动器，选择的是A3977。
2.6遥控器选用系统选用CDTFl000．12A遥控器与CD—JSCONR一12PC无线接收控制器。该遥控器用电池供电，供电电压DC12V，具有12路遥控信号。通过无线电磁波传播信号，采集30m以内的控制信号，通过中间继电器的转换，把该信号输入到CPU，完成对步进电机的控制。
3软件系统设计
软件系统设计包括ZigBee组网、数据信息采集及处理、Wi模块的配置、显示终端配置几大部分。图2与图3为数据信息采集及处理流程图。组建一个完整的ZigBee网络有两个步骤：一是网络初始化，另一步是节点（路由器节点或终端节点）加入网络。Wi模块的配置。在本设计中，将该模块时配置成客户端模式，选择串口转Wi中的无线网卡模式，网络协议选择TCP客户端，设置需要连接的TCP服务器的IP、端口号，与服务器连接。本设计的显示终端采用的是网站的网页形式，MSP430F149将数据传送到Web服务器，服务器再将数据调出并在网页上显示。监控网站主要由三部分组成：前台服务器界面、后台Windows服务、数据库。本设计中各种情况的处理是通过中断完成的，程序中各中断的优先级由高到低依次为：限位开关中断、遥控中断、按键开关中断、入侵中断、燃气泄漏中断、风雨中断、温湿度中断和光照中断。
4调试结果分析
设定正常舒适温度为25℃，湿度为25%，然后人为升高室内温度和温度，观察智能窗的动作。当室内温度或湿度超过设定值时，智能窗会执行开窗动作。当窗户到达右侧限位开关时，窗户停止。温湿度正常及过高时，终端显示分别如图4与图5所示。采用释放可燃气模拟家庭内部煤气泄漏的状况的发生，经过测试，当窗户初始状态为打开时，释放可燃气体后，步进电机带动使窗户缓缓打开，当窗户到达右侧限位开关处，窗户停止。从终端显示界面上看到煤气状态信息变为泄漏，窗户的状态为打开。若窗户的初始状态为完全打开，当释放可燃气体后，步进电机未动作，然而终端显示界面上煤气状态信息变为了泄漏，窗户的状态为打开。终端显示界面如图6所示。当模拟入侵时，若窗户初始状态为关闭，则步进电机不会动作。若窗户初始状态为完全打开或半打开，则步进电机带动窗户缓缓关闭，当到达左侧限位开关处步进电机停止动作，窗户停止。终端显示界面同时也会发出报警，并且盗情状态信息栏中信息状态变为异常，窗户状态为关闭。终端显示界面如图7所示。
5结束语
