车载红外探测设备的光机结构设计探索

马洪涛　金辉　周兴义

【摘 要】車载红外线探测设备的光机结构主要的作用就是要实时的检测空气质量，该光机系统能够360°高精度扫描反射镜，利用有限元的方法实现该系统的静力学分析，从而实现车载环境监测设备的结构稳定性和动态刚度等要求，本文就对该光机结构的设计进行研究。

【关键词】车载红外线探测设备；环境监测；光机结构

在改革开放的初级阶段，国家在大力发展经济的同时无暇顾及环境耳朵监测和治理，因此某些地区环境再遭到破坏之后没有及时的进行治理，从而形成严重的雾霾天气，给人们的生命健康带来严重的威胁。近年来国民经济和科学技术达到长足的发展，人们也考试认识到空气质量对于人们的危害，因此开始空气污染远距离监测技术的研究，在经历了激光毒剂报警技术、被动红外线技术等阶段指导现在的红外探测设备的研究，我国科学家对于气体监测的研究越发的深入，同样取得了非常大的成绩。本文就是针对目前所研究的车载红外监测技术进行研究和具体的应用以及实际的应用，本文就从基于红外见监测设备的车载光机结构的设计进行探讨和分析。

一、车载红外监测设备光机结构工作原理

在工作时由高精度的扫描机构对二维空间进行扫描，将污染性气体所发出的特有的红外辐射进行吸收，并且能够预先处理信息同时对其所发出的信号进行准确的鉴别，将处理和鉴别的结果直接输送到探测器内进行进行最后的分析，这样在显示界面便能够将空气中的污染物成分、种类、含量以及具体的位置等信息展示出来，为车主或者环境监测部门实时的提供准确的空气污染情况，详见图1所示。

二、光机光学系统结构设计

在光机设计时一定要考虑安全因素和检测位置的准确度情况，这样才是获取较高探测目标能量的基础，与此同时还要保证探测设备的稳定性，该结构的主要的要求包含3点：（1）要具备足够的强度以支撑光学系统，并能够在水平方向和各个方位实现360°扫描；（2）要具备足够的刚度，保证在正常的工作和运营时结构的稳定和定位的精准性；（3）具备缓冲作用防止在出现振动或者冲击的情况下随时保持结构的稳定，并能够确保所探测的目标光束的稳定。

车载红外探测设备的核心部位就是红外光学系统，该系统的主要作用是：（1）要能够接收并收集红外辐射的能量；（2）能够准确确定所探测目标的具体方向；（3）能够在更大的视觉范围内捕获目标和相应的成像情况。红外探测光学系统主要有3种类型，但是其各自的优缺点也非常的明显。①折射式：优点是其结构非常的简单，因此在安装调试和维修都会非常的方便和易操作；缺点是不能完全的消除色差。②反射式的优点是能够制作更大口径的物镜，其对于光能的损失非常少，与此同时在捕获目标和成像时不会出现色差的情况，能够折迭光路；但是美中不足的是其稳定性较差，轴外像差异非常明显，利用金属进行镀层导致光的反射率出现降低的情况。③折反射式：该种类型的优点是可以将正球面的反射镜的色差进行校正，该种类型的球面反射镜加工相对比较简单，加工成本比较低；其主要的缺点是会产生球差和场曲。红外探测设备的光机系统其光学系统的选型也非常的重要，因此在设计的过程中不仅要考虑设备自身的重量同时还要保证获取到准确的探测能量。

杂散光是光学系统中非正常传输光的总称，杂散光主要产生于透射光、漏光学表面的参与反射，或者镜筒内比的残余反射光等。因此可以总结为散射光的产生原因主要是光学表面的质量问题，同时如果光机结构系统在工作时产生较大的热量，那么热辐射也会导致杂散光的产生。因此想要消除这些杂散光可以通过提升镜面的反射率、在压圈和精通内部设置消除杂散光槽，从而将大量的杂散光消除。

目前在车载红外探测设备中主要使用的是望远光学系统，常见的如格里高利系统和卡塞格林系统，本文就简单介绍一下卡塞格林系统。卡塞格林系统的主镜是抛物面、次镜是双曲面，次镜在主镜内部，在构造中主镜的焦点和次镜的其中一个焦点重合，而次镜的另一个焦点将作为整个系统的焦点。该系统给的优点是焦距长、镜筒短因此该系统结构非常紧促，更容易放置接收器件等；但是球面镜加工难度较大。其结构如图2所示。

（1）整体机械机构。在机械机构中空间二维扫描望远系统是由反射镜部件、防伪扫描部件、俯仰扫描部件以及隔震部件等组成，部件与部件之间采用圆柱定位进行连接，同时还使用螺钉进行紧固，这样的连接方式其安装、调试和后期的养护维修都非常的方便。在设计的过程中需要对该结构的整体重量尽可能的减轻处理，比如结构上的零件等进行轻量化处理，材料可以采用质量更轻但是刚度等均符合要求的镁铝合金材质。

（2）高精度二维扫描结构：二维扫描结构是整个红外探测系统中的红外望远镜设备，其工作的波段是1-15um，该系统就是在进行二维扫描时可以将远距离的大面积的红外辐射进行大量的收集，其结构示意图详见图3所示。

在对二维扫描结构的设计中采用了涡轮蜗杆的连接方式，该链接杆的特点是结构紧凑、传动比大，同时传动的稳定性较好，工作时不会产生较大的噪音同时还具备非常好的自锁功能，该结构采用了两套蜗杆连接结构，这样能够保证其实现俯视、仰视、水平等各个方位360度无死角扫描。但是在扫描的过程中需要进行转动，这样会造成导线之间的缠绕，为了解决这种现象，该结构采用了导电结构，这样杠杆之间实现导电，使得其导线的连接更加的方便，安全性也更高。

（3）隔振结构：一般安装的车载结构都会受到来自两个方面的作用力，分别是侧向的冲击作用和垂直向的冲击作用，而这些冲击力会导致探测的最终结果显著下降。因此为了能够降低冲击载荷所带来的影响，可以设计一些隔振结构来实现，比如在设备的底部和侧部相对距离较大的位置分别安装能够起到稳定效用的隔振器，底部的主要是缓冲垂直方向的冲击作用，而侧面的隔振器则是消除侧部的冲击载荷作用。

三、结束语

车载红外探测光机结构是采用高精度扫描反射镜的结构来对远距离的目标进行各个方位360度的扫描，并获取收集所需要的信息，将所探测的空气污染信息进行处理显示的污染探测设备，通过对其主要功能和结构的介绍，能使人们更加了解在应用过程中对于车在环境的要求等，从而更好的进行探测作业。

参考文献：

[1]鲍可庆.红外技术探测原理及其在工业消防领域的应用[J].河南科技，2013（04 ）.

[2]王爱丽，王爱亮，任特.基于人工神经网络的红外探测效果评估[J].四川兵工学报，2014（03）.