一种舰船用强光探照灯的设计与实现

李　江

(连云港杰瑞电子有限公司，江苏 连云港　222006)



一种舰船用强光探照灯的设计与实现

李江

(连云港杰瑞电子有限公司，江苏 连云港222006)

摘要：介绍了一种舰船用强光探照灯光实现的基本过程。分析了如何通过反光杯的二次反射实现短弧氙灯的极小角度光学配光，同时也分析了如何通过螺旋传动机构实现短弧氙灯的连续轴向调焦。最终实现了强光探照灯的远距离强光照射及其光学焦距的连续调节。

关键词：强光探照灯；调焦机构；短弧氙灯

引言

我国海域辽阔，对在我国海域频繁活动的敌舰，如何通过警示的途径驱赶，这对维护我国海域的安全具有重要的作用。

为此本文设计一款非致命性强光探照灯设备。通过饱和眩光，使来犯的人员眼睛无法睁开，从而起到驱逐的作用[1-2]。该设备采用短弧氙气灯作为光源，搭载高精度二维随动转台，具有强光眩目和频闪眩目、高精度定域扫描、自动巡航等功能，该设备可实现对6000米海域以内活动目标的强光预警。

1强光探照灯的基本要求

本项目设计实现的强光探照灯为电控型探照灯，其基本的控制要求满足GB/T 24954—2010《船舶和海上技术高速船用探照灯》的基本要求：

(a)必需功能：应能依靠本船提供的电、液压、气动等能源实现水平面或俯仰面遥控转动；

(b)光源寿命：>100h；

(c)变焦要求：3°～8°(半峰值发散角)；

(d)开启时间：<30s；

(e)水平范围：>175°；

(f)俯仰范围：以水平为准向下30°、向上最小30°；

(g)水平扫描速度：最小速度<5°/s，最大速度>10°/s；

(h)垂直扫描速度：最小速度<0.5°/s，最大速度>5°/s。

由于特殊的使用要求，因此本产品在满足以上基本要求的前提下还需要满足：

(a)有效照射距离≥6000m；

(b)具有0.2Hz～10Hz的频闪频率。

2强光探照灯的基本原理

2.1抛物面反射杯的光学原理

探照灯反光杯是由方程y2=2px的抛物线绕主轴旋转形成的，由于反光杯子抛物面是对称的，所以研究反光杯的切面抛物线的光学特性就可以推导出整个反光杯的光线追迹[3]。

图1所示为点光源的其中一条光线经抛物线反射后的光追迹。其中α为光线与x轴的夹角。

图1　光线追迹图Fig.1　Ray tracing figure

通过M点的切线方程为：

根据反射定理可知MA∥Ox。

探照灯就是利用抛物面的这种性质，将光源置于抛物面的焦点上，经过抛物面的反射，光线与抛物面的主轴呈平行的方向射出。即理论上抛物面可以把它表面占有的空间立体角内的全部光能量汇聚成零立体角，即成平行光束射出，形成圆柱形光束。

2.2光学调焦原理

根据抛物面反射镜的光学性质，当光源中心位于反射镜的焦点F处时，光源在焦点发出的光线经反射镜反射后光线平行射出，在这种情况下，光能得到最大限度地汇聚。

若光源不在反射镜的焦点处，此时光源发出的光线经反射镜反射后向各个方向发散地射出，能量得不到汇聚。在实际系统中再小的光源也有一定的体积，可以将它看作是无数个点光源，分布在焦点区域，有一点在焦点，其他在焦点的上下左右，而且散布距离不同。光源体积越大，反射光斑就越虚。

总之，点光源偏离焦点就会出现散射，越接近焦点，发散角越小。为了避免这种现象的发生，必须设计调焦机构调节灯体或反射镜的位置，使它们能够连续在各个方向相对运动，目的是使光源的中心置于反射镜的焦点处，最终使光源处发出的光线经反射镜后近似平行地射出，能量得到最大限度地汇聚。

3强光探照灯的设计

3.1高聚光反光杯的设计

理论上如果反光杯为抛物面且直径和深度非常大，将光源放置在反光罩抛物面的焦点处，其反射出来的光线为平行光，即发光角度为0°。但实际应用中灯具反光杯尺寸有限，部分光未经过反光杯反射直接照射出来，形成杂散光，使得灯具的发光角度无法达到设计要求的3°～8°，但如果再用一个小的反光碗将灯具的杂散光回收利用，那么整灯很容易实现极小角度的变换[4]。

设计方法如下：要实现整灯光束角为2°，必须将光源放置到大反光碗(抛物面)的焦点上，让照射到抛物面上的光线平行射出(图2a)。并且该点也是小反光碗(球面)的球心，保证照射到小反光碗的光线原路返回(图2b)。这样光线会再次经过抛物面的焦点入射到大反光碗上，经过反射变成平行光(图2c)。

图2　光学反光杯子光路图Fig.2　Optical figure of reflection cup

3.2光学调焦机构的设计

3.2.1传动结构分析

调焦主要是改变光源发光点和反光罩的水平中心相对距离从而改变焦距达到聚光或散光的目的。丝杠滑块机构又称螺旋传动机构，主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。 传动形式根据丝杠和滑块相对运动的组合情况可分四种类型(见图3)[5]。

图3　螺纹丝杆传动装置Fig.3　Lead screw transmission device

3.2.2光学调焦机构设计

结合以上几种传动装置的特点和本产品的结构，我们选用类似图3b的传动机构作为基础模型来实现该产品调焦机构的设计。本系统调焦装置共由调节手柄、联轴器、丝杠组件、滑块、拉杆、连杆装置、阴极支撑架和光源安装架八个部分组成(如图4所示)。调节手柄固定在后盖调节腔内并通过联轴器与丝杠组件的丝杠轴连接，丝杠组件通过安装座固定在U型导轨底部，滑块安装在丝杠之上，与丝杠实现螺旋配合；拉杆一端固定在滑块上并与丝杆平行，另一端与连杆连接。

图4　调焦装置整体示意图Fig.4　Schematic diagram of focusing device

①前盖；②面罩；③密封圈；④灯体；⑤光学装置；⑥风扇；⑦后盖图5　强光探照灯的整体装配图Fig.5　Assembly drawing of the searchlight

氙气灯光源阴极与光源安装架固定在一起并嵌入阴极支撑架滑槽内。调焦装置中的螺纹丝杆机构，需要调焦时，通过旋转调节手柄使丝杠水平移动，从而带动滑块和拉杆沿水平相反方向移动，与之相连的连杆装置将在其牵引下带动氙气灯沿阴极支撑架滑槽来回移动从而实现焦距调节。

4整体实现及功能测试

4.1探照灯的整体实现

灯体主要灯体、面罩、光学装置、风扇、密封垫、前盖和后盖七个主要部分组成(如图5所示)，其中光学装置部分包含氙气灯、反光罩、二次反光罩、固定支撑装置及调焦装置，面罩由钢化玻璃透光罩和固定框架组成，灯具整体组装简单方便。

4.2功能测试

我们采用分布光度计对最终的原理样机进行实际测试，测试结果显示样机在8米处的最大照度值

为200 000lx，按照照度与距离平方成反比的方法进行计算，灯具在6000米处的最大照度值为3lx，满足使用要求。

5结语

本文就某款强光探照灯的设计与实现的基本原理和实现方法进行了比较全面的分析和探讨。在此基础上研制的原理样机具有极远照射距离和连续的调焦功能。经过多次试验，产品性能稳定。

参考文献

[1] 詹明媚，王敏. 城市桥梁防眩屏设计[J]. 照明工程学报，2012，23(5)：117.

[2] 张腾霄，韩布新. 照明与心理健康[J]. 照明工程学报，2013，24(增刊).

[3] 周太明.光源原理与设计[M].上海：复旦大学出版社, 1993: 58-59.

[4] 张鑫，屠其菲，宋贤杰. 投影灯的光学设计[J]. 照明工程学报，2004，15(3)：14.

[5] 张继超，丁亚林，张洪文. 一种航空画幅遥感相机调焦机构的设计[J]. 光学仪器, 2007, 29(2):50-53.

Design and Application of A Strong Searchlight

Li Jiang

(LianyungangJARIElectronicsCo.,Ltd.，Lianyungang222006,China)

Abstract：The basic process of realization of light path in search light system is introduced. The way that how to realize a tiny angle optical light distribution for short-arc xenon lamp by multiple reflections of reflective cup is analyzed. Meanwhile the continuous focusing control method on axial focusing by screw transmission mechanism is designed. The glare over a long distance and continuous focusing method of the mechanism for strong searchlights is realized at last.

Key words:strong searchlight；optical focusing mechanism；short-arc xenon lamp

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.024