反射式平行光管的紅外瞄具零位走動(dòng)量測(cè)量方法研究

王勁松，安志勇，李海蘭

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022;2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022)

紅外瞄準(zhǔn)鏡和紅外熱像儀［1］(統(tǒng)稱(chēng)紅外瞄具)的零位走動(dòng)量［2］是指瞄具的瞄準(zhǔn)基線(xiàn)由于物鏡、目鏡、分劃板、變像管和裝卡導(dǎo)軌等零部件的松動(dòng)、變形和移位而發(fā)生了變化，外在的影響因素主要是運(yùn)輸、射擊、環(huán)境變化等，其變化量通常用角度值(mil)表示。零位走動(dòng)量是瞄具設(shè)計(jì)、加工、安裝的科學(xué)性合理性的考核參數(shù)之一［3］。因?yàn)槊闇?zhǔn)基線(xiàn)直接和武器射擊精度相關(guān)，所以零位走動(dòng)量直接關(guān)系到射擊精度的好壞，在紅外瞄具生產(chǎn)和試驗(yàn)中，對(duì)瞄具零位走動(dòng)量的檢測(cè)是十分重要的檢測(cè)項(xiàng)目，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用反射式平行光管［4］結(jié)合測(cè)角裝置進(jìn)行檢測(cè)，受光管視場(chǎng)的限制很難實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)測(cè)量。

1 零位走動(dòng)量含義及測(cè)量基本原理

1.1 零位走動(dòng)量含義

瞄準(zhǔn)基線(xiàn)是指瞄具物鏡中心與分劃板中心的連線(xiàn)。由概念可知，零位走動(dòng)量實(shí)質(zhì)上是瞄準(zhǔn)基線(xiàn)的位置變化。如圖1為瞄具調(diào)校后的狀態(tài)，Lo、Le、R1分別為瞄具的物鏡、目鏡和分劃板，此狀態(tài)下可認(rèn)為瞄準(zhǔn)基線(xiàn)OO1與瞄具的光軸O1O2重合，且光軸相對(duì)理論瞄準(zhǔn)基線(xiàn)ll'無(wú)偏離。當(dāng)運(yùn)輸、攜行、射擊或環(huán)境溫度變化時(shí)，導(dǎo)致瞄具物鏡、目鏡、分劃板、變像管和裝卡導(dǎo)軌等零部件的松動(dòng)、變形和移位，從而使瞄準(zhǔn)基線(xiàn)和光軸發(fā)生了位置相對(duì)變化，如圖2所示。瞄具光軸O1O2相對(duì)理論瞄準(zhǔn)基線(xiàn)ll'偏轉(zhuǎn)α 角，實(shí)際瞄準(zhǔn)基線(xiàn)OO1與光軸偏轉(zhuǎn)β 角，由圖1和圖2的對(duì)應(yīng)關(guān)系可見(jiàn)，實(shí)際瞄準(zhǔn)基線(xiàn)相對(duì)理論瞄準(zhǔn)基線(xiàn)偏轉(zhuǎn)了θ=α+β，此角即為零位走動(dòng)量。

圖1 瞄具理想工作狀態(tài)Fig.1 Ideal working state of aiming sight

圖2 瞄準(zhǔn)基線(xiàn)變化示意圖Fig.2 Sketch of aiming baseline change

1.2 測(cè)量基本原理

由零位走動(dòng)量的含義可知，要想測(cè)量瞄具的零位走動(dòng)量必須建立一個(gè)無(wú)窮遠(yuǎn)的基準(zhǔn)目標(biāo)，通常采用平行光管來(lái)模擬。如圖3所示，Lc、Rc分別為平行光管的物鏡和分劃板，平行光管分劃板中心F'c在瞄具分劃板上的像為A 點(diǎn)，而瞄具分劃板中心O 對(duì)應(yīng)的物空間點(diǎn)(即瞄準(zhǔn)點(diǎn))在平行光管分劃板上的O'，平行光管的光軸F'cOc即是測(cè)量的基準(zhǔn)軸ll'.由圖中幾何關(guān)系可得

當(dāng)θ 很小時(shí)，可認(rèn)為

式中:F'cO'為紅外平行光管分劃中心在瞄具分劃板上的像與瞄具分劃中心的偏離量所對(duì)應(yīng)的物空間平行光管分劃板上的偏離量;f'c為紅外平行光管焦距。由以上分析可知，瞄具零位走動(dòng)量θ 可直接測(cè)量也可間接測(cè)量。由圖3可知，如果平行光管出射的平行光相對(duì)瞄具的瞄準(zhǔn)基線(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ 角，則光管分劃板中心在瞄具分劃板上的像A 點(diǎn)會(huì)與瞄具分劃板中心O 點(diǎn)重合，而旋轉(zhuǎn)的角度θ 可以通過(guò)角度讀數(shù)機(jī)構(gòu)直接讀出，這就是直接測(cè)量的理論依據(jù)。

圖3 零位走動(dòng)量測(cè)量原理Fig.3 Measurement principle of sight line alteration

實(shí)際上對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)反射式平行光管的方法［5］是不可取的，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)光管會(huì)使測(cè)量的基準(zhǔn)因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化，影響測(cè)量精度，另外從工程角度也因光管的體積和質(zhì)量問(wèn)題不易實(shí)現(xiàn)。針對(duì)此問(wèn)題可在光管的出射光路中加入一個(gè)可調(diào)整角度的平面反射鏡加以解決，如圖4所示。若要令光管分劃中心F'c與瞄具在光管分劃板上的瞄準(zhǔn)點(diǎn)重合，保持光管和瞄具不動(dòng)，只要平面反射鏡Rp旋轉(zhuǎn)θ/2 角即可。

圖4 利用平面反射鏡讀數(shù)原理Fig.4 Principle of data reading via reflector

2 基于反射式平行光管的直接測(cè)量系統(tǒng)

圖5為反射式平行光管直接測(cè)量紅外瞄具零位走動(dòng)量的系統(tǒng)示意圖。黑體、靶標(biāo)、平面鏡和拋物面反射鏡組成反牛頓式光學(xué)系統(tǒng)紅外平行光管，為測(cè)量提供無(wú)窮遠(yuǎn)紅外靶標(biāo)，紅外瞄準(zhǔn)鏡通過(guò)平面反射鏡觀(guān)察無(wú)窮遠(yuǎn)靶標(biāo)。平面反射鏡安裝在具有360°方位和俯仰運(yùn)動(dòng)的電控二維精密調(diào)整臺(tái)上，調(diào)整臺(tái)的2 個(gè)轉(zhuǎn)軸均配有高精度絕對(duì)式軸角編碼器，在程控2 個(gè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，給出平面反射鏡的二維轉(zhuǎn)角值。被測(cè)瞄準(zhǔn)鏡安裝在瞄具安裝座上，瞄具安裝座具有縱橫平移、升降、俯仰、方位五自由度的調(diào)整功能，用來(lái)實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)鏡在測(cè)試過(guò)程中的姿態(tài)調(diào)整。

圖5 反射式平行光管測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.5 System of reflection type collimator

測(cè)試時(shí)，調(diào)整安裝座使瞄具大致對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)，調(diào)節(jié)面黑體的溫度，確保紅外分劃清晰可見(jiàn)，控制電動(dòng)二維精密調(diào)整臺(tái)，使瞄具分劃十字線(xiàn)與紅外平行光管的靶標(biāo)分劃十字線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，記下二維精密調(diào)整臺(tái)的2軸角度。取下紅外瞄準(zhǔn)鏡去進(jìn)行射擊、沖擊振動(dòng)、高低溫試驗(yàn)等;試驗(yàn)后，將紅外瞄準(zhǔn)鏡重新安裝在瞄具安裝座上，觀(guān)察靶標(biāo)成像變化情況，并程控調(diào)整安放平面反射鏡的二維精密調(diào)整臺(tái)，使紅外瞄準(zhǔn)鏡分劃十字線(xiàn)與紅外平行光管的靶標(biāo)分劃十字線(xiàn)再次重合，記下此時(shí)二維精密調(diào)整臺(tái)的兩軸角度值，根據(jù)二維精密調(diào)整臺(tái)前后2 次的姿態(tài)變化，經(jīng)代數(shù)相減乘以2 即得到被測(cè)紅外瞄準(zhǔn)鏡的瞄準(zhǔn)基線(xiàn)的變化量，也就是零位走動(dòng)量。

3 測(cè)試誤差估算

影響測(cè)試精度的因素主要有測(cè)量時(shí)通過(guò)瞄具進(jìn)行靶標(biāo)對(duì)準(zhǔn)的瞄準(zhǔn)誤差、通過(guò)自動(dòng)二維調(diào)整臺(tái)進(jìn)行讀數(shù)的讀數(shù)誤差和紅外平行光管的自身誤差。

3.1 瞄具瞄準(zhǔn)誤差σ1

瞄具的視放大率Г、對(duì)準(zhǔn)誤差σ1、人眼對(duì)準(zhǔn)誤差Pt的關(guān)系可表示為

式中:K1為置信系數(shù);γ 為瞄準(zhǔn)誤差增大系數(shù)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)給出它的數(shù)值［6］。理想情況下人眼對(duì)準(zhǔn)誤差，采用雙線(xiàn)夾單線(xiàn)瞄準(zhǔn)時(shí)Pt=10″.如果一個(gè)瞄準(zhǔn)鏡像元數(shù)388 ×284，像元大小35 μm，物鏡焦距f'w=75 mm，目鏡焦距f'm=20，視場(chǎng)10° ×75°，OLED顯示屏的尺寸1″(2.54 cm)，等效視場(chǎng)放大率Γd=2.8×，取γ =3，瞄準(zhǔn)誤差為均勻分布［6］，置信系數(shù)(散布系數(shù))，所以

3.2 讀數(shù)誤差σ2

1)二維調(diào)整臺(tái)誤差σ21

二維調(diào)整臺(tái)采用精確直流力矩電機(jī)伺服，蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)和軸角編碼器，并采用消側(cè)隙和空回機(jī)構(gòu)，精度可達(dá)2″，對(duì)出射光則是4″，此誤差服從正態(tài)分布，則

2)示值誤差σ22

此誤差服從均勻分布，若絕對(duì)示值誤差δ =0.01 mil，則

通過(guò)以上分析，讀數(shù)綜合誤差

3.3 紅外平行光管誤差σ3

主要包括分劃制作誤差、調(diào)焦誤差、對(duì)準(zhǔn)誤差和焦距誤差，后3 項(xiàng)通過(guò)光管的裝調(diào)校準(zhǔn)可以忽略，主要影響是分劃制作誤差。通過(guò)精密機(jī)械加工可以保證分劃制作誤差為0.01 mm，平行光管設(shè)計(jì)焦距f' =800 mm，此誤差服從正態(tài)分布，所以K=3，由此引入的誤差所以光管誤差σ3=σ31=0.004 mil.

通過(guò)以上分析，總的測(cè)試誤差如下，能夠滿(mǎn)足當(dāng)前紅外瞄具的測(cè)試要求。

4 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

采用某型號(hào)紅外瞄具在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)θ=(120 ±4)″標(biāo)準(zhǔn)鍺玻璃光楔進(jìn)行了精度標(biāo)定驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖6所示，Rp為光管的平面反射鏡，光楔水平放置測(cè)量方位角，垂直放置測(cè)量高低角。調(diào)整RP，二維精密轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)讀值，各取10 次測(cè)量結(jié)果，數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)量的均值大于標(biāo)稱(chēng)值是由于光楔安放誤差造成的，y 向測(cè)量結(jié)果大于x向也是由安放誤差造成的。2 個(gè)方向的σ 值均小于0.03 mil，與分析估算吻合。

圖6 光管標(biāo)定示意圖Fig.6 Sketch of collimator calibration

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Calibration data

5 結(jié)論

對(duì)紅外瞄具零位走動(dòng)量測(cè)量原理進(jìn)行了分析與闡述，并詳細(xì)闡述了一種新型反射式平行光管直接測(cè)量零位走動(dòng)量的方法，對(duì)方法中存在的誤差因素進(jìn)行了相應(yīng)的分析估算，并進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法可達(dá)到幾秒的測(cè)量精度。研究的反射式平行光管測(cè)量瞄具零位走動(dòng)量方法具有非接觸、測(cè)量速度快、精度高、測(cè)量范圍大、可實(shí)現(xiàn)多品種和多參數(shù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)瞄具的生產(chǎn)測(cè)試具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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