一種基于PSD的光電自動(dòng)校炮裝置

陳 冉, 王長(zhǎng)江, 劉廣華

(北方光電股份有限公司 技術(shù)中心,陜西 西安 710043)

引言

坦克是現(xiàn)代陸地作戰(zhàn)的主要武器之一。坦克的火力性能主要體現(xiàn)在威力和精度兩個(gè)方面[1]。射擊精度是一個(gè)與時(shí)間和環(huán)境因素有關(guān)的性能指標(biāo)，也是坦克火控系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。在實(shí)際的作戰(zhàn)和訓(xùn)練中，炮管的彎曲變形總是存在的，這會(huì)直接影響彈丸出射角，是影響射擊精度的最關(guān)鍵因素[2-4]。因此，要達(dá)到有效改善坦克火力精度的目的，就必須及時(shí)修正火炮炮管變形帶來的射擊誤差，這通常是用校炮的方法實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的校炮方式是通過前置鏡在車外人工測(cè)量炮口彎曲量，然后在車內(nèi)人工裝訂修正量，不僅效率低、精度差，而且不具備實(shí)時(shí)性。本文介紹的基于PSD的光電自動(dòng)校炮裝置，可實(shí)現(xiàn)炮口彎曲變形量的車內(nèi)實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量和修正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車內(nèi)光電自動(dòng)校炮。

1 基本原理

基于PSD的車內(nèi)光電自動(dòng)校炮技術(shù)的關(guān)鍵是借助與炮口垂直且剛性連接的反光鏡，采用直接光點(diǎn)反射法實(shí)時(shí)獲取炮口的偏移量，如圖1所示。當(dāng)光源的光束入射到反射鏡時(shí)，經(jīng)反光鏡的反射，到達(dá)PSD的光敏面上，這時(shí)，PSD就會(huì)輸出一個(gè)位置信號(hào)，即所謂的“零位”，當(dāng)炮管存在一個(gè)彎曲角α?xí)r，反光鏡會(huì)偏轉(zhuǎn)一個(gè)同樣的微量角度α，根據(jù)幾何光學(xué)的相關(guān)原理，反射光線將會(huì)偏轉(zhuǎn)2α角，光點(diǎn)將會(huì)相對(duì)“零位”移動(dòng)一定的距離S。假定，探測(cè)器距炮口反光鏡的距離為L(zhǎng)，該距離一般為炮塔上某安裝基準(zhǔn)面距離炮口反光鏡的位置之間的長(zhǎng)度，通常為幾米，一般取L=5.85 m。同時(shí)，根據(jù)活動(dòng)式校炮系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)值，炮管的彎曲變化量是一個(gè)非常小的量，其對(duì)應(yīng)的炮口反光鏡的偏轉(zhuǎn)角度也非常小，一般在密位級(jí)別，所以α可以近似表示為

α=S/2L

這個(gè)值為測(cè)量得到的炮口偏移量，它與輸入給火控計(jì)算機(jī)的修正值存在一個(gè)定量的關(guān)系，其表達(dá)式如下：

α修=Kα(K=0.75±0.05)

圖1 光點(diǎn)反射法工作原理圖Fig.1 Principle diagram of light reflection method

在實(shí)際應(yīng)用中，初始對(duì)準(zhǔn)的時(shí)候，通過調(diào)節(jié)安放裝置使激光束大致入射在反射鏡的幾何中心位置，并且持續(xù)整個(gè)測(cè)試過程，同時(shí)經(jīng)過反光鏡反射后的光點(diǎn)落在二維PSD位置靈敏探測(cè)器光敏面的中心點(diǎn)位置附近，以確保反射光點(diǎn)的變化始終能夠落在PSD位置靈敏探測(cè)器光譜響應(yīng)線性度較好的中心區(qū)域[5-8]。

通過一定的數(shù)據(jù)采集方法，將光點(diǎn)偏移量的結(jié)果傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，然后，將此數(shù)值經(jīng)過控制盒的進(jìn)一步解算、顯示和控制，將炮管彎曲后需要的校炮量送給火控計(jì)算機(jī)進(jìn)行彈道修正，從而提高火炮射擊精度，特別是首發(fā)命中率。

2 裝置的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)，將采取自頂向下的設(shè)計(jì)思路。首先，必須確定一個(gè)針對(duì)于坦克火炮炮管彎曲變形這個(gè)測(cè)量量和后續(xù)數(shù)據(jù)處理有著顯著特點(diǎn)和優(yōu)越性的光電探測(cè)器。在探測(cè)器選定以后，根據(jù)其特性和有關(guān)參數(shù)去選擇與之相適應(yīng)的光源。然后兼顧探測(cè)器和光源兩者的特性和有關(guān)參數(shù)去總體考慮光學(xué)系統(tǒng)以及具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，最后，采用一定的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)處理對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[9]。

圖2為該裝置的原理框圖，自動(dòng)校炮裝置安裝在炮塔的左前方，與安裝在炮管前端的反光鏡配合，對(duì)炮管的彎曲變形進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)炮管發(fā)生彎曲變形時(shí)，反光鏡隨之偏轉(zhuǎn)角度，光源的出射激光經(jīng)過反射后就偏轉(zhuǎn)一定的角度，聚焦在PSD上的光點(diǎn)位置也就產(chǎn)生了位移，PSD對(duì)光點(diǎn)位置變化輸出相應(yīng)的模擬量值，經(jīng)過信號(hào)調(diào)制、放大、整形傳輸給校炮控制盒，在校炮控制盒完成解算、顯示和控制，將炮管彎曲變形后所需的校炮量送給火控計(jì)算機(jī)進(jìn)行彈道修正，提高坦克在火炮彎曲時(shí)的命中率。

圖2 原理框圖Fig.2 Functional block diagram

2.1 光電探測(cè)器的選擇

PSD光電探測(cè)器的選擇是車內(nèi)自動(dòng)校炮裝置實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。探測(cè)器的合理應(yīng)用，是整個(gè)自動(dòng)校炮裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局的先導(dǎo)?？偟囊笫?，該探測(cè)器件必須滿足靈敏度和測(cè)試精度的要求。

結(jié)合火炮炮管變形量測(cè)量的要求和可拆卸式校炮技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，炮口的偏移量大約為1 mil，這為探測(cè)器件的選型提供了直接的依據(jù)，根據(jù)初步理論計(jì)算，裝置中選擇PSD探測(cè)器的主要參數(shù)如表1所示。

表1 選型PSD探測(cè)器的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of selected PSD

2.2 光源的選擇

自動(dòng)校炮裝置中所應(yīng)用的光點(diǎn)反射法，是采用光學(xué)方法對(duì)能夠反映炮口彎曲變形量的反射鏡上的反射光點(diǎn)進(jìn)行位置探測(cè)的過程。在方案的實(shí)現(xiàn)過程中，正確合理地選擇光源，是自動(dòng)校炮裝置能夠成功的關(guān)鍵因素之一。

對(duì)于不同精度的光電檢測(cè)要求，系統(tǒng)對(duì)光源的穩(wěn)定性要求也不盡相同。由于本裝置中的信號(hào)處理機(jī)理就是基于光源的能量，能量的穩(wěn)定性會(huì)直接影響信號(hào)的輸出精度，所以這種應(yīng)用對(duì)于光源的穩(wěn)定性要求是比較嚴(yán)格的。對(duì)于炮口變形量的測(cè)量，結(jié)合前面提到的探測(cè)器的工作機(jī)理，光源的穩(wěn)定性是應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題之一，同時(shí)，用于該測(cè)試系統(tǒng)中的光源還應(yīng)該就實(shí)際坦克平臺(tái)的應(yīng)用環(huán)境，考慮抗沖擊、外形尺寸、質(zhì)量、高低溫以及三防等環(huán)境指標(biāo)要求[10]。在參考探測(cè)器使用說明和以往使用者的經(jīng)驗(yàn)后，我們選取出瞳功率為2.5 mW的紅外光激光器作為測(cè)試選用光源。主要技術(shù)特性參數(shù)如表2所示。

表2 選型激光器的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of selected laser

2.3 光學(xué)設(shè)計(jì)

在激光器型號(hào)確定以后，激光發(fā)射通道的關(guān)鍵就是保證出射光點(diǎn)有好的能量集中性和光斑均勻性。因此，一般在光源出射前端設(shè)置一個(gè)激光光束調(diào)節(jié)、整形系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)其對(duì)出射激光光束發(fā)散角或者直徑調(diào)節(jié)功能，即光束在傳播一定距離后，其直徑可以調(diào)節(jié)到進(jìn)行測(cè)試所需要的比較理想的尺寸要求。這一系統(tǒng)應(yīng)該和激光器固連，集成為一個(gè)整體，滿足光軸平行性要求，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的操作方便性。應(yīng)該指出的是，在標(biāo)定過程中，應(yīng)該摸索系統(tǒng)中激光能量的集中性和系統(tǒng)的信噪的匹配問題，做到最優(yōu)化。

由于系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量，將炮口的光點(diǎn)反射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接收光點(diǎn)的質(zhì)量，包含光點(diǎn)的大小和光點(diǎn)能量的均勻性等指標(biāo)將直接影響著光點(diǎn)位置測(cè)量的精度，因此，光點(diǎn)接收系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下因素：

1) 為了較好地消除PSD器件的邊緣效應(yīng)，系統(tǒng)中應(yīng)有相關(guān)的匯聚系統(tǒng)。

2) 為了提高信噪比，消除雜光的影響，光路中應(yīng)該對(duì)其他波段的光進(jìn)行窄帶濾光處理。

2.4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮光學(xué)功能、密封性能、電磁兼容、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟(jì)合理、質(zhì)量要求以及比較惡劣的應(yīng)用環(huán)境等綜合因素。圖3就是自動(dòng)校炮裝置的實(shí)物圖，基于該系統(tǒng)的特殊性，我們從以下方面考慮：

1) 首先要考慮的是工作環(huán)境惡劣，要求有足夠的強(qiáng)度和耐沖擊力，然后保證光學(xué)和電氣系統(tǒng)工作正常，發(fā)射光軸和接收光軸的平行性要求在0.1 mm，PSD的安裝面垂直度要求在0.02 mm，在綜合考慮了質(zhì)量、安裝精度等要求后，選用金屬鑄鋁鑄造殼體，并選用快速成型工藝保證其精度，最后將總質(zhì)量控制在5.0 kg之內(nèi)。

2) 密封性設(shè)計(jì)是采用光學(xué)產(chǎn)品成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)——在連接部位用硅橡膠與O形密封圈相結(jié)合，并在精加工前采取真空浸膠處理，來達(dá)到該系統(tǒng)的密封性要求，要求充滿干燥氮?dú)?5×103kPa，并在5 min內(nèi)無明顯泄露，試驗(yàn)結(jié)果證明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中密封性設(shè)計(jì)合理可靠。

圖3 裝置實(shí)物圖Fig.3 Device photo

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)在不同射角α(表3中按照炮兵實(shí)操方式給出了α的密位值)的二次修正情況進(jìn)行了摸底試驗(yàn)，修正量β數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 不同射角自動(dòng)校炮測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Automatic correction of artillery test data at different shooting angles

試驗(yàn)結(jié)果表明，在綜合考慮初始位置修正量的情況下，不同射角完全可以根據(jù)以上數(shù)據(jù)流進(jìn)行二次修正，提高射擊精度。實(shí)際使用結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的校炮方式，這種自動(dòng)校炮方式具有速度快，自動(dòng)修正無需人工干預(yù)的特點(diǎn)，且在不同射角時(shí)，都可以有效提高射擊精度。

本裝置對(duì)某新型主戰(zhàn)坦克的炮管因炮管的自重和炮管的熱變形帶來的炮管變形量進(jìn)行了初始位置的模擬測(cè)試，并將數(shù)據(jù)提供給火控計(jì)算機(jī)，火控計(jì)算機(jī)對(duì)輸入?yún)?shù)乘以理論指導(dǎo)校正系數(shù)K=0.75±0.05，然后對(duì)射擊參數(shù)進(jìn)行修正，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮射擊0.1 mil級(jí)的精確修正,達(dá)到較好的自動(dòng)校炮效果。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型器件PSD在自動(dòng)校炮技術(shù)中的應(yīng)用，闡述了比較詳細(xì)的工程實(shí)現(xiàn)過程，并給出了原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，在車內(nèi)工況下,該裝置能夠?qū)Ω鞣N原因引起的炮管彎曲變形進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和有效參數(shù)修正，給火控計(jì)算機(jī)提供可靠的校炮數(shù)據(jù)，提升坦克火炮的校炮效率和射擊精度,特別是首發(fā)命中率。相對(duì)于可拆卸式校炮裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了坦克火炮校炮的自動(dòng)化和智能化,達(dá)到了對(duì)于射擊精度的0.1 mil級(jí)校正，可以在其他多種口徑的火炮中推廣應(yīng)用，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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