某型飞机光电探测设备红外大视场图像抖动故障分析

魏诗朦 郭毓文

摘要：针对某型飞机飞行过程中光电探测设备红外大视场图像画面抖动故障，基于故障树进行研究分析，查找故障原因，制定改进方法，对提高光电探测设备工作的可靠性具有重要意义。

关键词：光电探测设备；红外大视场；故障分析

Keywords：optic-electronic detecting equipment；infrared large field view；fault analysis

1 故障描述

光電探测设备主要用于对地面或对海面目标进行搜索、识别、跟踪和测距，并输出相关目标的参数及视频信息，在夜间和复杂气象条件下可用于辅助导航；可向显控系统送出红外/电视图像，供其观察和瞄准，并提供光轴角度、角速度、目标距离等数值，方便火控系统进行解算。

一架某型飞机在飞行过程中光电探测设备红外大视场画面出现水平晃动现象，飞行结束后返回地面进行记录视频回放时，发现光电探测设备在飞机平飞过程中红外大视场水平方向晃动5～6个像素，转弯飞行时晃动不明显。

2 故障现象分析

光电探测设备由电子组件和转塔组成，转塔从结构上分为外方位组件、外俯仰组件、陀螺稳定平台组件等部分，红外、电视和激光3个传感器装在陀螺稳定平台上，转塔结构组成模块如图1所示。因光电探测设备的转塔安装位置处于飞机头部下方，随着飞机的抖动，转塔将不可避免地产生随动。必须通过稳定控制系统对光电转塔的平台进行增稳，才能保障光电图像满足侦察和作战任务的需要。

为了准确定位该型光电探测设备红外大视场抖动问题的故障点，建立以“红外大视场图像抖动”为顶事件的故障树，根据故障树逐级进行排查，可以高效准确地对故障进行定位和处理。

飞机平飞过程中，红外大视场图像抖动由多种因素引起，如挂装支架抖动、外框架抖动、平台抖动、组件抖动等，根据光电转塔结构及红外组件结构，建立如图2所示的故障树。

2.1 光电转塔机上安装支架抖动

光电转塔通过机上安装支架吊挂在飞机机头正下方。安装支架抖动会引起光电转塔红外大视场抖动。根据前期飞行视频及安装支架结构设计未作改动分析，目前机上安装支架的振动不会引起光电转塔红外大视场抖动。

2.2 光电转塔抖动

1）控制问题

a.陀螺问题

作为稳定控制系统的核心反馈元件，陀螺是影响稳定性能的核心因素之一。如果陀螺故障，将导致系统抖动及红外和电视各视场的图像抖动。经检测及飞行视频分析，陀螺控制和输出信号正常，飞行视频正常，排除陀螺故障的可能。

b.功放板问题

功放板主要是对控制器输出的PWM控制信号进行功率放大，驱动电机带动框架运动。功放板有故障或PWM信号输出与输入不匹配时将导致控制系统无法正常控制电机运动。光电探测设备系统上电时会进行上电自检，通过测试程序对功放板的回路进行检测，如果功放板存在故障，随动控制程序将停止运行，光电探测设备无法完成自检，结果自检完成，排除功放板故障的可能。

c.电机问题

电机主要由定子、转子和电刷组成，任何部件出现破损都会影响电机性能，进而导致控制回路不稳定或出现失控、无动作等现象。经检查，电机各部件完好，排除电机故障的可能。

2）结构问题

a.结构松动

光电转塔装配时，结构模块松动将导致框架和稳定平台抖动。经检查，不存在结构松动问题。

b.干扰力矩增大

干扰力矩主要包含不平衡力矩、线缆牵拉力矩等，干扰力矩增大将导致外框、稳定平台抖动。对光电转塔进行检查，未发现结构松动和线缆之间牵拉导致牵拉力矩增大现象。分析飞行回放视频，未发现电视、红外等其他视场抖动，排除干扰力矩异常问题。

c.减振器问题

减振器安装松动和损坏将导致转塔对载机扰动的抗干扰能力下降。检查光电转塔上下半轴4个减振器，未发现安装松动和胶皮开裂等损坏问题，排除减振器故障的可能。

2.3 红外组件抖动

1）大物镜、后镜组、探测器部件抖动

红外组件大视场、中视场、小视场共用大物镜、后镜组和探测器，故障现象为红外大视场左右抖动。切换中、小视场未出现左右抖动现象，因此排除大物镜抖动、后镜组抖动、探测器抖动问题。

2）大视场透镜部件抖动

a.镜框磁铁吸附力不足

红外大视场镜框吸附力主要用于对镜框垂直方向的吸附，对红外大视场画面上下抖动影响较大。分析飞行回放视频发现红外大视场抖动主要是水平方向而非垂直方向。增大磁铁对镜框吸附力后进行振动试验，红外大视场水平晃动量有所减小，但依然存在水平晃动。

b.大视场镜框轴松动

红外大视场镜框轴系包含上轴系和下轴系，大视场镜筒通过上轴系部件固定在上盖板上，上轴系包含一对轴承，局部结构如图3所示。

对上/下轴系轴承在径向、轴向的间隙进行测量，采取措施消除上轴系的轴向和径向间隙以及下轴系的径向间隙，上下轴系数据表如表1、表2所示。对消除间隙前后的部件同时进行随机振动，扫频振动发现上、下轴系谐振频率均在150Hz左右，处理措施对大视场镜框轴影响不大。

c.红外大视场镜框结构刚度不足

对不同批次的4台红外热像仪进行扫频振动试验及系统安装面振动曲线测试，试验结果如表3所示。

由上述结果可知，红外谐振频率带在150～160Hz左右。通过红外组件振动仿真计算，振动输入频率谱在10～2000Hz之间，对有限元模型进行求解，其一阶模态为163Hz（见图4），与实测数值接近。

光电转塔随机振动谱线如图5所示，其RMS值为5.83g。分析随机振动谱线，在15～179Hz频率范围内，量值是0.04g2/Hz，该区域范围内RMS值是13.3g，说明振动能量主要集中在低频段。

用模态分析仪监测振动条件下光电转塔稳定平台和红外组件安装点处的情况，观察监测点航向、展向及垂向的功率谱密度曲线和频响函数曲线，并进行测试数据对比，从红外安装点展向响应的频响函数可以看出，在160Hz频点左右展向振动幅值有所放大，如图6所示。

3 结论

经过分析，光电探测设备红外大视场画面抖动原因是：红外大视场框架结构强度偏低，造成一阶谐振频率与光电转塔稳定平台的展向谐振频率重合，二者产生共振。可通过提高红外大视场框架一阶谐振频率解决红外大视场的抖动现象。

作者简介

魏诗朦，助理工程师，主要从事综合航电火控系统研究工作。

郭毓文，工程师，主要从事军民机六性评估研究工作。