激光微角偏移測(cè)試系統(tǒng)研究

韓寶章，李亦軍

(中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

激光微角偏移測(cè)試系統(tǒng)研究

韓寶章，李亦軍*

(中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

針對(duì)火炮出廠前的校瞄工作存在自動(dòng)化程度不高、測(cè)試結(jié)果分辨率和精度低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型激光微角偏移測(cè)試校瞄系統(tǒng)。該系統(tǒng)由位置靈敏探測(cè)器(PSD)、準(zhǔn)直平行激光管與二維精密旋轉(zhuǎn)控制器構(gòu)成。采用光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理技術(shù)，可實(shí)時(shí)獲取火炮身管軸線的微角偏移量；利用相對(duì)簡(jiǎn)單的方法完成了高精度的測(cè)試，有效地改善了傳統(tǒng)校瞄方法的不足。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在炮管仰角0°～70°范圍內(nèi)全程測(cè)試微角偏移量，其分辨率可達(dá)到0.001°，可廣泛應(yīng)用于不同口徑火炮身管軸線的校瞄工作中。

校瞄；微角偏移；激光；位置靈敏探測(cè)器(PSD)

1 引 言

火炮的火力性能主要體現(xiàn)在精度和火力兩個(gè)方面[1]。射擊精度是火炮火控系統(tǒng)[2]的重點(diǎn)研究對(duì)象和重要保障，而火炮校瞄是火炮裝配過程中最為關(guān)鍵的一道工序。目前普遍采用的校瞄方法是：將現(xiàn)有炮口瞄準(zhǔn)儀(即米哈儀)[3]裝在炮口，測(cè)試人員需站在升降梯上，以便隨著火炮身管軸線仰角的變化進(jìn)行觀察，確定火炮身管軸線的微角偏移量以及車內(nèi)瞄準(zhǔn)儀的偏差。這種方法存在很多缺陷，首先，炮口瞄準(zhǔn)儀本身的測(cè)試精度和分辨率低，最小讀數(shù)1密位，反映不出微小變化，不能夠很好的達(dá)到校瞄目的；其次，校瞄過程中需要多次反復(fù)的調(diào)試和觀察，升降梯的反復(fù)升降和人工讀數(shù)影響了校瞄過程的效率。因此，目前急需一種高精度高效率的系統(tǒng)來進(jìn)行火炮身管軸線的校瞄工作。針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一種激光微角偏移測(cè)試系統(tǒng)，利用準(zhǔn)直平行激光[4]作為光源，重點(diǎn)應(yīng)用二維精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)及控制器[5]和位置探測(cè)器(一維PSD)組成的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火炮身管軸線高精度、高分辨率、高效率的校瞄工作。

2 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)造及原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)造[6]

激光微角偏移測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。本系統(tǒng)主要構(gòu)成：(1)由位置探測(cè)器(一維PSD)[7]及其信號(hào)處理電路和指示燈組成的激光檢測(cè)板，當(dāng)激光光斑落在PSD中心[8-9]原點(diǎn)時(shí)，指示燈會(huì)亮起，其中位置探測(cè)器選用用于精密位置測(cè)量的S3270型PSD，主要參數(shù)：感光面積1×37 mm、上升時(shí)間1 μs；(2)二維精密電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)及控制器，控制器可在遠(yuǎn)端有線控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)在XOZ平面內(nèi)繞Y軸線360°旋轉(zhuǎn)，在XOZ平面內(nèi)繞Z軸線±10°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其在兩個(gè)方向轉(zhuǎn)過的角度可以分別讀取，測(cè)量分辨率0.001°；(3)激光光源選用了激光光斑光強(qiáng)、激光光斑尺寸最優(yōu)的準(zhǔn)直平行激光管，其與二維精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)組成激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)；(4)計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理電路等外圍設(shè)備。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)造Fig.1 Measurement system structure

2.2 測(cè)試原理

火炮身管軸線的“微角偏移”是指炮身軸線在調(diào)整發(fā)射角度時(shí)，在水平方向產(chǎn)生的偏離原發(fā)射面的現(xiàn)象。圖1為火炮炮膛在豎直方向上升一定角度時(shí)的示意圖，A為炮膛初始位置，B為炮膛在仰角θ狀態(tài)下的理想位置，C為炮膛在仰角θ時(shí)的實(shí)際位置。炮膛在豎直方向調(diào)整射角過程中，火炮身管軸線應(yīng)始終位于XOZ平面內(nèi)。但是由于裝配工藝等原因，火炮身管軸線往往會(huì)在垂直調(diào)整射角過程中出現(xiàn)水平方向上的微角度偏移。為了更加直觀的體現(xiàn)微角偏移的產(chǎn)生過程，給出測(cè)試原理的全視圖和俯視圖，如圖2中(a)、(b)。

圖2 (a)測(cè)試系統(tǒng)全視圖,(b)測(cè)試系統(tǒng)俯視圖Fig.2 (a)Full view and (b)top view of the measurement system

炮膛仰角為θ時(shí)，控制激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將激光在Z方向上調(diào)整到與初始位置同一水平線，如圖2所示，光斑發(fā)生水平偏移時(shí)，通過控制器調(diào)整激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在Y方向旋轉(zhuǎn)，使激光光斑落在PSD中心位置[10-12]，此時(shí)指示燈亮起，如圖2(b)所示，控制器自動(dòng)記錄此時(shí)二維控制器橫向所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，即圖2中的α，即為炮膛在仰角為θ時(shí)的微角偏移量，β為炮膛仰角θ時(shí)火炮身管軸線理想位置與實(shí)際位置的偏差角。

根據(jù)圖2(a)中α、β的幾何關(guān)系可知它們的關(guān)系式為:

式中，S為火炮身管底端O點(diǎn)到PSD中心位置E點(diǎn)的距離如圖2(b)，L為火炮身管長(zhǎng)度如圖1。從式(1)可以看出，當(dāng)炮膛仰角θ為定值時(shí)，可以通過微角偏移量α的大小求得軸線偏差角β，為下一步校瞄工作提供了理論基礎(chǔ)。

3 測(cè)試過程及結(jié)果

3.1 測(cè)試過程

準(zhǔn)備工作：①將火炮水平置于的場(chǎng)地中，并調(diào)節(jié)炮膛角度歸零；②將激光二維旋轉(zhuǎn)裝置固定于炮管發(fā)射口，并保證水平儀內(nèi)水泡處于中心位置；③將附有指示燈的PSD檢測(cè)板置于火炮正前方100 m處，利用水平儀保證其水平狀態(tài)，調(diào)整檢測(cè)板，使激光落在PSD中心處，此時(shí)檢測(cè)板上指示燈亮起；④在檢測(cè)板上標(biāo)出此時(shí)激光光斑所在位置的水平線，準(zhǔn)備工作結(jié)束。

圖2為引發(fā)劑用量對(duì)分子量的影響,電化學(xué)聚合制備條件為乳化劑2 g,反應(yīng)溫度30°C,反應(yīng)時(shí)間8 h,電流0.3 A,引發(fā)劑用量變化范圍從2～5 g.由圖可見,隨著引發(fā)劑用量的不斷增加,聚合物的分子量逐漸減小,這是因?yàn)橐l(fā)劑用量越多,平均每種引發(fā)劑可能消耗的單體數(shù)就越少,從而使分子量變小.

測(cè)試步驟：(1)賦予炮膛12°的仰角值，在炮膛仰起后縱向調(diào)節(jié)激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使激光俯射至檢測(cè)板所標(biāo)注的水平線上；(2)橫向調(diào)節(jié)激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將激光光斑調(diào)整至PSD中心位置，此時(shí)指示燈亮起，控制器自動(dòng)記錄此時(shí)二維控制器橫向所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，即為炮膛在仰角為12°的微角偏移量；(3)上行程依次測(cè)量賦予炮膛仰角為24°、36°、48°、60°、69°時(shí)，在該角度下的微角偏移量；(4)炮膛仰角為69°時(shí)的微角偏移量測(cè)完后，將炮膛調(diào)整到仰角為70°位置，再下行程依次測(cè)量賦予炮膛仰角為69°、60°、48°、36°、24°、12°時(shí)，在該角度下的微角偏移量；(5)多次重復(fù)測(cè)試過程，記錄多組數(shù)據(jù)求平均值，以減少偶然誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

在測(cè)試過程中我們發(fā)現(xiàn)，100 m距離下觀察激光光斑在檢測(cè)靶上的實(shí)時(shí)位置較為困難，為了提高系統(tǒng)測(cè)試效率，我們計(jì)劃在系統(tǒng)中加入無線視頻傳輸裝置，即在檢測(cè)靶處增設(shè)攝像機(jī)，在火炮處增設(shè)顯示屏，顯示屏可以顯示出攝像機(jī)拍攝到的激光光斑在檢測(cè)靶的實(shí)時(shí)影像。無線視頻傳輸裝置目前正在調(diào)試當(dāng)中。

3.2 信號(hào)處理

當(dāng)PSD接收面接收到激光光斑時(shí)，其各個(gè)電極會(huì)有大小不同、且與激光入射位置有關(guān)的光電流輸出。光電流經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，會(huì)轉(zhuǎn)換為電壓輸出，將電信號(hào)處理后，確定激光光斑位置信息，在光斑中心落在PSD中心位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈發(fā)光(圖3)。

PSD輸出的是很微弱的電流信號(hào)，不能進(jìn)行直接的檢測(cè),需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行放大，這樣就可以方便后面進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理。PSD的輸出可以看做一個(gè)電流源，當(dāng)其負(fù)載阻抗是零時(shí)，它的輸出特性最優(yōu)。而理想的運(yùn)放正、負(fù)輸入端恰好有“虛短”(即兩輸入端之間電壓差為零)的特性,所以采用運(yùn)放組成電流/電壓轉(zhuǎn)換電路(圖4)來進(jìn)行PSD光生電流的檢測(cè)。

圖3 信號(hào)處理流程圖Fig.3 Flow diagram of signal processing

圖4 電流電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Current voltage conversion circuit

PSD的結(jié)構(gòu)以及工作原理使它在正常工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生暗電流，暗電流經(jīng)過放大后會(huì)影響對(duì)PSD的定位準(zhǔn)確程度。因?yàn)楸尘肮夂桶惦娏鳟a(chǎn)生的干擾電壓可看做是直流電平，所以能夠采用采樣-保持電路[13]來進(jìn)行干擾的消除，提高測(cè)試系統(tǒng)激光對(duì)中精度。

3.3 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)火炮進(jìn)行測(cè)試，在炮膛調(diào)整到水平位置后開始，上下行程依次測(cè)量讀取炮膛不同仰角狀態(tài)下的微角偏移量并記錄數(shù)據(jù)。表1給出了分別應(yīng)用激光微角偏移測(cè)試系統(tǒng)和米哈儀多次測(cè)試微角偏移結(jié)果的平均值(密位換算為(°))對(duì)比(其它條件均不變的情況下)。

表1 微角偏移測(cè)試系統(tǒng)與炮口瞄準(zhǔn)儀結(jié)果對(duì)比

通過分析表1中激光微角偏移測(cè)試系統(tǒng)和米哈儀微角偏移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(正、負(fù)表示偏移方向)，得到如下結(jié)論：(1)當(dāng)炮膛仰角為12°、24°、36°等較小仰角時(shí)，米哈儀在上行程測(cè)量中得到的微角偏移都為0，而本文中的激光微角偏移系統(tǒng)在上行程測(cè)量過程中測(cè)得的微角偏移分別為0.003°、0.010°、0.021°等非常精確的數(shù)據(jù)。據(jù)此可得，在俯仰角小的時(shí)候，米哈儀不能夠完全測(cè)出偏移微角，而本系統(tǒng)可以較為精確的測(cè)出上下行程的偏移微角；(2)激光微角偏移測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試火炮炮膛的微角偏移量可以精確到0.001°，而米哈儀只到0.1密位=0.006°(1密位=0.06°)，所以本文中激光微角偏移測(cè)試系統(tǒng)相比于米哈儀在精度、分辨率上均有顯著提高。

3.4 校瞄分析

通過上述分析，要想使得炮彈能夠更加精確的擊中目標(biāo)，就必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校瞄分析。由式(1)可知，在某一確定的仰角θ下，只需測(cè)得微角偏移量α即可求得軸線偏差角β，從而通過對(duì)β的校準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確打擊。在仰角θ=[0°～80°]范圍內(nèi)，炮管長(zhǎng)取L=5 m，其軸線偏差角β隨微角偏移量α的變化關(guān)系為圖5(a)。

從圖5(a)看出，軸線偏差角β隨微角偏移量α的增大而增大，且隨仰角θ的增大，β的大小與α的大小接近相等。所以，根據(jù)測(cè)得的微角偏移量α來測(cè)得軸線偏差角β，進(jìn)而對(duì)炮膛在水平方向的偏移量進(jìn)行校正。圖5(b)為表1中本系統(tǒng)在6組不同的炮管角度θ下，根據(jù)上下行程所測(cè)得的微角偏移量α的值(為了計(jì)算方便，在每一仰角下取上下行程微角偏移量α值的平均值)根據(jù)式(1)所求的軸線偏差角β的值。經(jīng)查閱可知，炮膛在仰角45°左右時(shí)，火炮射程最遠(yuǎn)約為50 00 m，取表1炮管仰角θ=48°，此時(shí)，所測(cè)得的軸線偏差角β=0.035°，如圖5(b)。如果不對(duì)炮管偏移進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)圖2(a)的幾何關(guān)系，此時(shí)炮彈在水平方向?qū)⑵x中心目標(biāo)約為50 000×tanβ≈30.5 m，所以在實(shí)際操作當(dāng)中，火炮出廠前的校瞄工作至關(guān)重要。

圖5 微角偏移量α與軸線偏差角β關(guān)系Fig.5 Relationship between α and β

4 誤差分析

從表1激光測(cè)試微角數(shù)據(jù)可以看出，本測(cè)試方法在上下行程對(duì)偏移微角的測(cè)試中具有較高的穩(wěn)定一致性，為了更明顯的比較出兩種測(cè)試方法的穩(wěn)定性差異，分別對(duì)兩種測(cè)試方法的不確定度[14]進(jìn)行分析，根據(jù)不確定度計(jì)算公式：

其中，上下行程測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值s和儀器的B類不確定度分量u:

u=Δ儀

式(3)中,Δxi為上下行程偏移微角測(cè)量值的殘差，式(4)中Δ儀為測(cè)量?jī)x器的精度(本系統(tǒng)為0.001°，米哈儀為0.006°)，根據(jù)表1數(shù)據(jù)和式(2)～(4)求得在上下行程12°～69°的俯仰角范圍內(nèi)分別計(jì)算得出兩種測(cè)試方法的不確定度，結(jié)果如表2。

表2 微角偏移測(cè)試系統(tǒng)與炮口瞄準(zhǔn)儀結(jié)果不確定度對(duì)比

表2計(jì)算結(jié)果表明，激光微角偏移測(cè)試結(jié)果不確定度比米哈儀微角偏移測(cè)試結(jié)果不確定度小一個(gè)數(shù)量級(jí)，充分說明激光微角偏移測(cè)試系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和一致性。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中。

由于在測(cè)試過程中，系統(tǒng)微角偏移量測(cè)試結(jié)果的精確度會(huì)受到人為操作、激光的不穩(wěn)定性[15]等難以抗拒的因素的影響，只能通過多次測(cè)試求平均值，最大程度降低這些隨機(jī)誤差[16]。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)項(xiàng)目要求綜合運(yùn)用了半導(dǎo)體光電探測(cè)器件等成熟技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速、精準(zhǔn)地完成對(duì)火炮炮膛出廠前的校瞄工作。相比于傳統(tǒng)校瞄方法，在自動(dòng)化程度與校瞄精度上都有顯著提高。結(jié)果表明此系統(tǒng)可在炮管仰角0°～70°范圍內(nèi)將火炮炮膛的校瞄分辨率達(dá)到0.001°，可應(yīng)用于不同口徑火炮炮膛出廠前的校瞄工作中。

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Laser micro angular deviation measurement system

HAN Bao-zhang, LI Yi-jun*

(CollegeofScience,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

*Correspondingauthor,E-mail:liyijun@nuc.edu.cn

There are some shortcomings in aiming correction before the artillery leaves the factory, just like the low degree of automation, the low resolution and accuracy. Aiming at these problems, we design a novel laser micro angular deviation measurement and proofread aiming system. The system consists of position sensitive detector(PSD), collimating parallel laser tube and two-dimensional precision spin controller, and the micro angle offset of artillery bore can be acquired in real-time using the photoelectric conversion and signal processing technology. The traditional proofread aiming method can be improved effectively using relatively simple means to complete the high precision measurement. Experimental test results show that the system can detect the micro angle deviation with the barrel elevation range of 0°～70° in the whole course, and its resolution can reach 0.001°. It can be widely used to proofread aiming with different caliber artillery bore.

proofread aiming;micro angular deviation;laser;position sensitive detector(PSD)

2016-10-20；

2016-12-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61127015) Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61127015)

2095-1531(2017)02-0234-07

TJ306

A

10.3788/CO.20171002.0234

韓寶章(1991—)，男，山西盂縣人，碩士研究生，主要從事光學(xué)理論、光電測(cè)試技術(shù)方面的研究。E-mail：hbz7051@sina.com

李亦軍(1967—)，男，河北陽原人，博士，教授，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試方面的研究。E-mail：liyijun@nuc.edu.cn