微机械自跟踪双坐标光电自准直仪的研究

　　在诸多的控制系统中，瞄准与定位往往是必要的环节之一。光电自准直系统在瞄准与精密定位方面，由于定位准确、灵敏度高、机构简单等优点，所以有着广泛的应用[1]。传统的光电自准直仪采用手动静态测试，不能满足自动控制的要求。为适应某航天自动控制的要求，研制了一种微机械驱动的自跟踪式双坐标光电自准直仪，很好地满足了控制系统的要求。自跟踪式双坐标光电自准直仪作为动态小角度测试仪器，不单在控制系统中，在其它方面完全可以取代传统的光电自准直仪，作为通用小角度测量仪器使用，它代表了光电自准直仪发展的一个重要分支。由于新型光电器件的发展，近年来自跟踪的形式已有多种多样，如采用 CCD 图像器件的就是比较成功的一种[2]。它实时地给出指标的位置图像，也可转化为相应的电压信号，去控制对象进行相应的动作。本文介绍的光电元件与微机械结合的方式，始终把目标返回的指标线控制在一固定的位置，动作灵敏可靠，抗干扰能力强，在实际应用中发挥了重要的作用。

　　1 自准直原理及光学系统

　　自准直仪基于两条基本光学原理，一是光的准直原理，二是平面镜对光束的反射原理。如果在准直管的前面放一平面反射镜，准直管发出的平行光束再由它自身来接收，集自准直管和望远镜于一体，这就是自准直原理。用自准直原理可以对反射镜的角偏转进行测量，从而展开一系列的应用[3]。设准直管物镜焦距为 fˊ,反射镜的偏角为δ，反射像在焦平面上的位移为 x，那么根据平面镜对光束的反射原理得到自准直仪的数学模型为

　　本仪器的光学系统如图 1 所示。在光电头的共轭焦平面位置安装一套微机械驱动跟踪机构，实时跟踪反射镜返回的分划板指标线的图像，并把指标线的位置信息转化为小角度信息显示或以模拟量输出。

　　2 微机械驱动的工作原理

　　在图1 所示的结构中，矩形窗式透光分划板位于准直管的焦平面上，均匀的照明光线通过窗口射出后经分光镜、物镜组形成准直光束从自准直管射出，由被测反射镜返回的光线通过物镜组并经分光棱镜的反射后在光电头中的共轭焦平面成像。通过像窗口的光能量被安排在 X 与 Y 两个方向上的两组光电元件所接收，经处理后实现 X 向与 Y 向的光电瞄准，其示意图如图2 所示。

　　仪器采用平行片簧为导向的片簧跟踪机构，其结构如图 3 所示。永久磁铁同上面和两个侧面的导磁片组成闭合磁回路。为了限制磁通量，在磁回路中加入两个磁阻片。上导磁片和由两个平行片簧组成的连接片构成跟踪部件。由于导磁片两端的空气隙相同，因而受相等的磁吸力作用处于中间平衡位置。当线圈中通过一定方向的电流之后，它所产生的磁力线通过导磁螺钉与导磁片分向左右两边，使原磁回路的磁力线一半得到加强，另一半被部分抵消而削弱。上导磁片将向磁力线较强的一方移动，直到磁引力与平行片簧所产生的弹力平衡时为止。随着流入线圈电流的加大，上导磁片移动的距离也增大。当流入线圈的电流方向相反时，上导磁片向平衡位置的另一方移动。上导磁片同时带动支臂、光电瞄准元件与之同时移动，其跟踪驱动电路框图如图4 所示。