高精度白光與微光瞄具零位走動(dòng)量檢測技術(shù)研究

王瑩，王勁松，崔士寶，安志勇

（長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長春130022）

高精度白光與微光瞄具零位走動(dòng)量檢測技術(shù)研究

王瑩，王勁松，崔士寶，安志勇

（長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長春130022）

針對(duì)白光瞄具前加設(shè)微光鏡組而成的組合式瞄具零位高精度檢測需求，研究了一種可檢測組合式瞄具純零位變化及微光鏡組光軸走動(dòng)量的光電檢測方法。該方法采用CCD相機(jī)測量組合式瞄具總的零位變化量，雙自準(zhǔn)直儀對(duì)組合式瞄具裝卡產(chǎn)生的誤差和微光鏡組裝卡產(chǎn)生的調(diào)整架姿態(tài)變化進(jìn)行定量檢測，并從CCD測量值中予以剔除，最終得到組合瞄具的純零位變化以及微光鏡組的光軸走動(dòng)量。闡述了檢測理論模型，并設(shè)計(jì)了測量實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：白光瞄具的純零位走動(dòng)量測量精度σ值不大于2.16″（0.01 mil）；微光鏡組的光軸走動(dòng)量測量精度σ值不大于21.6″（0.1 mil）.

兵器科學(xué)與技術(shù)；組合式瞄具；零位變化量；雙自準(zhǔn)直儀

0 引言

瞄具是武器裝備中不可或缺的裝置，其零位走動(dòng)量（即瞄準(zhǔn)基線變化量）是影響武器射擊準(zhǔn)確度的主要因素，是瞄準(zhǔn)鏡實(shí)驗(yàn)必須要檢測的項(xiàng)目之一，也是評(píng)價(jià)瞄具穩(wěn)定性的重要指標(biāo)［1］。本文涉及的微光瞄具是在白光瞄準(zhǔn)鏡前附加微光鏡組組合而成［2］，因此需要檢測白光瞄具的零位走動(dòng)量和微光鏡組的光軸走動(dòng)量，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求掌握的變化量，即不包括白光瞄具和微光鏡組的重復(fù)裝卡誤差。據(jù)調(diào)研，目前針對(duì)此種組合式微光瞄具的零位走動(dòng)量檢測，都包含重復(fù)裝卡誤差，不能提供純的零位走動(dòng)量［3］?？紤]到瞄具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)的需求，有必要對(duì)其展開研究。

1 測量原理

1.1 瞄具重復(fù)裝卡誤差的剔除

測量瞄具的零位走動(dòng)量必須建立一個(gè)無限遠(yuǎn)的基準(zhǔn)目標(biāo)，通常采用平行光管來模擬［4］。如圖1所示，平行光管分劃板Rg的分劃O在瞄具分劃R0上的像為B，而瞄具分劃板中心O0對(duì)應(yīng)的物空間點(diǎn)為平行光管分劃板上A，由圖1中幾何關(guān)系可知：

圖1 數(shù)字讀數(shù)式零位走動(dòng)量測量原理圖Fig.1 Digital measurement principle of sight line alteration

式中：O′A′為平行光管分劃在CCD光敏面Rc上的像與瞄具分劃板中心對(duì)應(yīng)在像空間上的像A′之間的距離，可以由CCD采集并經(jīng)圖像處理求得；為平行光管物鏡焦距，為CCD物鏡焦距，可事先檢測出來；Γ為瞄具的放大率，代入（2）式即求得總的零位走動(dòng)量θ.此結(jié)果既包括純粹的瞄具零位走動(dòng)量β又包括瞄具重復(fù)裝卡誤差α，則瞄具的純零位變化量為

圖2 剔除重復(fù)裝卡誤差原理圖Fig.2 Measurement principle of rejecting repetitive positioning error

實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示，光電自準(zhǔn)直儀分劃板Rg中心O經(jīng)半反半透鏡組件B反射，在光電自準(zhǔn)直儀CCD像面Rgc上的像為O′，瞄具重復(fù)裝卡后機(jī)械軸線與檢測系統(tǒng)主光軸的夾角（即瞄具的重復(fù)裝卡誤差）為α，由幾何關(guān)系可知：

式中：O′Ogc為光電自準(zhǔn)直儀分劃板中心經(jīng)半反半透鏡組件在光電自準(zhǔn)直儀CCD像面的像與瞄具分劃板中心對(duì)應(yīng)在光電自準(zhǔn)直儀CCD像面上的偏移距離，可以由光電自準(zhǔn)直儀讀出；為光電自準(zhǔn)直儀物鏡焦距。則α值可在（1）式的θ中予以剔除。

1.2 微光鏡組裝卡誤差的剔除

檢測組合式微光瞄具（白光瞄具+微光鏡組）時(shí)，CCD采集的數(shù)據(jù)中包括三部分：1）白光瞄具零位走動(dòng)量；2）微光鏡組的光軸走動(dòng)量；3）微光鏡組裝卡誤差。對(duì)于微光鏡組的裝卡誤差，包括微光鏡組的重復(fù)裝卡誤差及微光鏡組裝卡時(shí)調(diào)整架姿態(tài)的變化。則微光鏡組的光軸走動(dòng)量為

實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示，光電自準(zhǔn)直儀2分劃板Rg1的中心O1經(jīng)半反半透鏡組件在光電自準(zhǔn)直儀2的CCD像面Rgc1上的像為，微光鏡裝卡組后平面反射鏡M與光電自準(zhǔn)直儀2光軸垂直面的夾角為φ，由圖3幾何關(guān)系可知：

圖3 裝卡微光鏡組誤差的剔除原理Fig.3 Measurement principle of rejecting the installing error of shimmer lens

2 實(shí)施過程

由上述測量原理，設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)如圖4所示，光電自準(zhǔn)直儀1、2裝卡到懸臂梁組件上。調(diào)整CCD相機(jī)調(diào)整架，使光電自準(zhǔn)直儀1的十字刻線在CCD視場的中間位置。白光瞄具安裝在調(diào)整架上，調(diào)整調(diào)整架使白光瞄準(zhǔn)具十字分劃線與光電自準(zhǔn)直儀1的十字分劃接近重合。調(diào)節(jié)平面反射鏡二維調(diào)整架，使光電自準(zhǔn)直儀2的十字刻線經(jīng)過平面鏡反射的像與原光電自準(zhǔn)直儀2的十字刻線重合，鎖緊平面反射鏡二維調(diào)整架。

2.1 瞄具的純零位變化測量

白光瞄具裝卡到調(diào)整架上，記下此時(shí)從CCD中采集的白光瞄準(zhǔn)具十字刻線相對(duì)于光電自準(zhǔn)直儀1十字刻線的偏移量θX0、θY0，以及光電自準(zhǔn)直儀1經(jīng)過半反半透鏡反射的十字刻線與光電自準(zhǔn)直儀1原十字刻線的偏移量αx0、αy0.

對(duì)實(shí)驗(yàn)后的白光瞄具進(jìn)行重新裝卡，記下此時(shí)從CCD中采集的白光瞄準(zhǔn)具十字刻線相對(duì)于光電自準(zhǔn)直儀1十字刻線的偏移量θX1、θY1，以及光電自準(zhǔn)直儀1經(jīng)過半反半透鏡反射的十字刻線與光電自準(zhǔn)直儀1原十字刻線的偏移量αx1、αy1.由（4）式得到白光瞄具的純粹零位走動(dòng)量ΔβX、ΔβY分別為ΔβX=（θX1-θX0）-（αx1-αx0），ΔβY=（θY1-θY0）-（αy1-αy0）.

圖4 系統(tǒng)三維圖Fig.4 Three-dimensional diagram of system

2.2 微光鏡組光軸走動(dòng)量的測量

將微光鏡組裝卡于白光瞄準(zhǔn)具的前端，記下此時(shí)從CCD中采集的白光瞄準(zhǔn)具十字刻線相對(duì)于光電自準(zhǔn)直儀1十字刻線的偏移量，光電自準(zhǔn)直儀1經(jīng)過半反半透鏡反射的十字刻線與光電自準(zhǔn)直儀1原十字刻線的偏移量，以及光電自準(zhǔn)直儀2經(jīng)過反射鏡后的十字刻線與光電自準(zhǔn)直儀2原十字刻線的偏移量φx0、φy0.

將微光鏡組單獨(dú)拆卸，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后對(duì)其重新裝卡，記下此時(shí)從CCD中采集的白光瞄準(zhǔn)具十字刻線相對(duì)于光電自準(zhǔn)直儀1十字刻線的偏移量，光電自準(zhǔn)直儀1經(jīng)過半反半透鏡反射的十字刻線與光電自準(zhǔn)直儀1原十字刻線的偏移量，以及光電自準(zhǔn)直儀2經(jīng)過反射鏡后的十字刻線與光電自準(zhǔn)直儀2原十字刻線的偏移量φx1、φy1，由（7）式得到微光鏡組的光軸走動(dòng)量ΔγX、ΔγY分別為

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 白光瞄具的純零位變化量的測量

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5，本實(shí)驗(yàn)使用的白光瞄準(zhǔn)鏡零位變化量小于0.1 mil.將經(jīng)射擊等實(shí)驗(yàn)后的白光瞄具重復(fù)裝卡，記錄每次CCD采集的θX0、θY0以及光電自準(zhǔn)直儀1的讀數(shù)αx0、αy0，如表1和表2所示。其中序號(hào)i為0表示首次裝卡時(shí)CCD采集的數(shù)據(jù)及光電自準(zhǔn)直儀的讀數(shù)，即未產(chǎn)生重復(fù)裝卡誤差時(shí)的數(shù)據(jù)。Δαx、Δαy為每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與序號(hào)0實(shí)驗(yàn)讀數(shù)的差值，即重復(fù)裝卡誤差。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.5 Schematic diagram of experimental set-up

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)測量精度σ=2.03″，測試數(shù)據(jù)可靠，完全達(dá)到當(dāng)前產(chǎn)品零位變化量小于2.16″（0.01 mil）的要求。實(shí)驗(yàn)及結(jié)果證明本文所用方法可行［5］。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（X軸）Tab.1 Experimental data（X-axis）

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Y軸）Tab.2 Experimental data（Y-axis）

3.2 微光鏡組光軸走動(dòng)量的測量

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用光軸走動(dòng)量小于1 mil的微光鏡組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)整架上安裝反射鏡，光電自準(zhǔn)直儀2對(duì)準(zhǔn)反射鏡，白光瞄具置于調(diào)整架上不變，反復(fù)安裝經(jīng)射擊等實(shí)驗(yàn)后的微光鏡組，記錄每次裝卡后CCD采集的，以及光電自準(zhǔn)直儀1的讀數(shù)，光電自準(zhǔn)直儀2的讀數(shù)φx0、φy0如表3和表4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（X軸）Tab.3 Experimental data（X-axis）

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Y軸）Tab.4 Experimental data（Y-axis）

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出σ=12.3″，測試數(shù)據(jù)可靠，達(dá)到當(dāng)前產(chǎn)品對(duì)微光鏡組光軸走動(dòng)量小于21.6″（0.1 mil）的要求。

3.3 誤差分析

造成誤差的主要因素有以下4點(diǎn)：

1）調(diào)校誤差。在調(diào)校過程中由于人眼的對(duì)準(zhǔn)誤差，CCD像面不與物鏡像面完全重合，且不垂直于光軸。

2）CCD及光電自準(zhǔn)直儀的讀數(shù)誤差。在CCD讀數(shù)過程中由于CCD感光像元存在大小及間距，而采用二值化處理所引入的誤差。

3）瞄具機(jī)械軸與光軸的不重合度誤差。在瞄具加工、裝配過程中，由于瞄具各零件和透鏡加工精度的限制及裝配，會(huì)使瞄具機(jī)械軸線與光軸產(chǎn)生角度誤差，即瞄具前端面不垂直于光軸。

4）半反半透鏡的重復(fù)貼合誤差。由于半反半透鏡的對(duì)準(zhǔn)需要與瞄具前端面進(jìn)行接觸，前后兩次貼合的不一致所引起的誤差。

4 結(jié)論

采用雙自準(zhǔn)直儀方法實(shí)現(xiàn)對(duì)微光瞄具的零位進(jìn)行高精度檢測。剔除了白光瞄具重復(fù)裝卡誤差，微光瞄具裝卡產(chǎn)生的誤差和重復(fù)裝卡差異進(jìn)行定量檢測。構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)檢測的理論模型，并針對(duì)白光瞄具重復(fù)裝卡誤差和微光鏡組裝卡產(chǎn)生的誤差及微光鏡組裝卡對(duì)調(diào)整架影響進(jìn)行了檢測實(shí)驗(yàn)，得到瞄具的純零位走動(dòng)量和微光鏡組的光軸走動(dòng)量。結(jié)果表明，雙自準(zhǔn)直儀法可以有效剔除上述各種誤差的影響，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)精度檢測。

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［1］王永仲.現(xiàn)代軍用光學(xué)技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2003. WANG Yong-zhong.Advanced military optics［M］.Beijing：Science Press，2003.（in Chinese）

［2］張鳴平，張敬賢，李玉丹.夜視系統(tǒng)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1993. ZHANG Ming-ping，ZHANG Jing-xian，LI Yu-dan.Night vision system［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，1993.（in Chinese）

［3］呂溥，韓國華，張艾莉，等.高精度瞄準(zhǔn)鏡零位走動(dòng)量檢測研究［J］.激光技術(shù)，2013，37（3）：404-408. LYU Pu，HAN Guo-hua，ZHANG Ai-li，et al.Study on measurement of sight-line alteration of high precision sighting telescopes［J］.Laser Technology，2013，37（3）：404-408.（in Chinese）

［4］王勁松，安志勇，李海蘭.反射式平行光管的紅外瞄具零位走動(dòng)量測量方法研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31（11）：1422-1425. WANG Jin-song，AN Zhi-yong，LI Hai-lan.Research on the measuring method to the IR aiming sight's line alteration of reflection type collimator［J］.Acta Armamentarii，2010，31（11）：1422-1425.（in Chinese）

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Study of High Precision Zero Point Momentum Detection Technology for White and Shimmer Light Sight

WANG Ying，WANG Jin-song，CUI Shi-bao，AN Zhi-yong
（School of OptoElectronic Engineering，Changchun University of Scieence and Technology，Changchun 130022，Jilin，China）

For the requirements of the sight line alteration detection of the combined sight adding a shimmer lens group to the white sight，a high-precision measurement method can be used to measure the true sight line alteration of combined sight as well as the optic axis variation of shimmer lens group.In the method，a CCD camera is used to measure the total sight line alteration，and the errors caused by assembling the combined sight and the attitude change of adjusting bracket caused by assembling the shimmer lens group are quantitatively measured using a dual-auto-collimator，which are eliminated from the measured values to get a true sight line alteration.A theoretical detection model is presented，and the measuring experiment is made.The results show that the measured value of sight line alteration σ is less than 2.16″（0.01 mil）；the measured value of the optic axis variation of shimmer lens group σ is less than 21.6″（0.1 mil）.

ordnance science and technology；combined sight；sight line alteration；dual-auto-collimator

TH745

A

1000-1093（2015）08-1481-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.015

2015-03-03

吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（20150204044GX）

王瑩（1991—），女，碩士研究生。E-mail：agaric1990@163.com；王勁松（1974—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail：soldier_1973@163.com；安志勇（1943—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：an_zhiyong@126.com