机载同步激光测距机可靠性设计
机载同步激光测距机可靠性设计
作者:刘晓梅
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体位置距离, 被广泛应用千高压电网架设、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一讨,解决机载同步激光测距机关键技术中存在的问题, 能够进 步 推动机载同步激光测距仪机的普及应用,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~l0km, 并在最大测程时, 能见度必须达到15km, 测距精度为士10m, 重复的频率最好设定在 lHz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 C~ + 55 C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 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、 主高压形成电路和氝灯触发电路, 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可编程逻一 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 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千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, 即变压器和士12V 直流电压与士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,维待 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 。在lHz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 X (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千扰能力, 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。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除