坦克炮口彎曲變形量自動測量裝置

作者/袁威，西南計算機(jī)有限責(zé)任公司

坦克炮口彎曲變形量自動測量裝置

作者/袁威，西南計算機(jī)有限責(zé)任公司

鑒于傳統(tǒng)坦克炮口彎曲量測量效率低、精度差，而且不具備實時性的缺點，提出一種基于PSD（位置靈敏探測器）的坦克炮口彎曲量自動測量裝置。該裝置通過與安裝在炮口端的反射鏡配合，對炮口的彎曲變形量進(jìn)行檢測。然后通過對PSD光敏面上的光點位置變化，輸出相應(yīng)的模擬量，再經(jīng)過信號放大、整形、采集、濾波等數(shù)字化處理后，實時輸出炮口彎曲修正量，發(fā)送給火控計算機(jī)進(jìn)行彈道修正。經(jīng)過該裝置提供的炮口彎曲量的實時修正，可有效提高坦克的射擊命中率。

坦克火炮；彎曲變形量；位置靈敏探測器；自動測量裝置

引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，坦克是陸地作戰(zhàn)的重型武器，也是作戰(zhàn)的主要武器之一，它的火力性能主要體現(xiàn)在作戰(zhàn)威力和射擊精度兩個方面，尤其是射擊精度，更是坦克武器系統(tǒng)考核的一項主要指標(biāo)，火控系統(tǒng)更是將其作為研究的重點。

在實際的作戰(zhàn)和訓(xùn)練中，由于坦克發(fā)射炮彈過程中，炮口會摩擦發(fā)熱，所以總是不可避免的存在著發(fā)熱彎曲變形，而這會影響炮彈的出射角，正所謂“差之毫厘，謬之千里”，所以對坦克炮口彎曲變形的精確測量是確保坦克射擊精度的關(guān)鍵因素。

而傳統(tǒng)的坦克炮口彎曲量是通過安裝前置反射鏡在車外人工進(jìn)行測量，然后在車內(nèi)人工裝訂修正量，這樣不僅僅是效率低、精度差，而且不具備實時性，已經(jīng)完全不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要了。因此，實時、有效的修正坦克炮口彎曲變形量才能有效保證坦克的射擊精度，同時也才能最大限度的發(fā)揮坦克的作戰(zhàn)威力[1,2]。過合理設(shè)置分流層和收集電流的電極,然后根據(jù)各電極上收集到的電流信號的比例來最后確定入射光的位置。

與其他CCD 和 CMOS等器件相比較而言，具有多種不可比擬的優(yōu)勢，因此，在各種測量領(lǐng)域其都將有很好的應(yīng)用前景[3]。

自動測量裝置是一種利用PSD的工作特性，通過與安裝在坦克炮口端的反光鏡配合，對坦克炮口射擊時的彎曲變形量進(jìn)行檢測的一種測量裝置。當(dāng)炮口發(fā)生彎曲變形時，反光鏡也會隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)。此時，激光光源發(fā)出的光束入射到反射鏡，經(jīng)過反射鏡的反射后，光束到達(dá)PSD的光敏面上，此時，PSD就會輸出一個相對于“零位”的位置偏移量，炮口彎曲量越大，光點離“零位”的相對位置越遠(yuǎn)。PSD對光點位置變化會輸出相應(yīng)的模擬量，再經(jīng)過對模擬信號的放大、整形、采集、濾波等數(shù)字化處理后，最終轉(zhuǎn)換為炮口彎曲變形校正所需的校正量，實時發(fā)送給火控計算機(jī)進(jìn)行彈道修正，有效提高坦克在炮口彎曲變形時的命中率[4]。

圖1 炮口彎曲變形量自動測量裝置原理框圖

鑒于這種情況，本文設(shè)計了一種基于PSD（位置靈敏探測器）的坦克炮口彎曲變形量的自動測量裝置，可實現(xiàn)坦克炮口彎曲變形量的車內(nèi)自動、實時測量和修正，進(jìn)而可以實現(xiàn)坦克車內(nèi)自動、實時修正炮口彎曲變形量，提升坦克火炮的校炮效率和射擊精度。

1.設(shè)計原理

PSD是一種獨特的半導(dǎo)體光電器件，和普通光電二極管相比較而言，它的PN結(jié)結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、光電轉(zhuǎn)換原理等相類似，但它的工作原理卻與普通光電二極管完全不同，它不僅僅是光電轉(zhuǎn)換器，更重要的是它對光電流的分配,通

圖2 炮口彎曲變形量自動測量裝置光學(xué)原理示意圖

圖1為坦克炮口彎曲變形量自動測量裝置的原理框圖。自動測量裝置只要由激光光源、炮口發(fā)射鏡、PSD、位置偏移量處理器、以及火控計算機(jī)等部分組成。

圖2為坦克炮口彎曲變形量自動測量裝置的光學(xué)原理示意圖[5,6]。

由圖2中可以看出，當(dāng)火炮炮口在初始階段時，炮口沒有發(fā)生變形，沒有彎曲量，此時，由激光光源發(fā)射的光束經(jīng)過反射鏡反射后返回至PSD光敏面，形成一個光斑，此時可以測量到該位置值，將該位置a設(shè)為“理論零值”。當(dāng)坦克炮口在發(fā)射炮彈過程中，由于多種原因會造成坦克炮口發(fā)生彎曲，此時再由激光光源發(fā)射的光束經(jīng)過反射鏡反射后返回至PSD光敏面時，形成的光斑就會偏離原先沒有彎曲量時的“理論零值”，將該位置值設(shè)為b。而a與b點之間的距離就是光斑的位移距離s，s 與反射鏡角位移，也就是炮口彎曲量的關(guān)系式如（1）所示：

式中：θ—炮口偏移量；s—光點在 PSD 上的位移；f —接收系統(tǒng)物鏡的焦距?？梢钥闯?，通過測量光點在PSD上的位置偏移量，能夠有效地測量到坦克炮口的彎曲變形量，并最終通過火控計算機(jī)實時修正射擊角度，提升火炮的校炮效率和射擊精度。

2.實際操作及注意事項

在實際操作過程中，初始對準(zhǔn)的時候，通過安放、調(diào)節(jié)炮口彎曲變形量自動測量裝置，使激光光束入射到反射鏡，并使光點盡量處于反射鏡的幾何中心位置，然后調(diào)節(jié)反光鏡，使得經(jīng)過反光鏡反射后的光點落在二維PSD位置靈敏探測器光敏面的中心點位置附近，形成炮口位置在PSD位置靈敏探測器上的“理論零值”。

若炮口在使用過程中發(fā)生了彎曲量，則激光光點經(jīng)過反射鏡反射后在PSD位置靈敏探測器光敏面上就會出現(xiàn)遠(yuǎn)離“理論零值”的相對位置。此時，通過炮口彎曲變形量自動測量裝置的信號轉(zhuǎn)換后，就可以將炮口彎曲變形校正所需的校正量，實時、有效的提供給火控計算機(jī)，最終達(dá)到提高坦克射擊精度的良好效果。

在方案的實施過程中，需要合理的選擇激光光源、合理的應(yīng)用PSD光電探測器，以及有效的標(biāo)定激光能量的集中性和信噪的匹配問題，做到系統(tǒng)的最優(yōu)化。同時，考慮系統(tǒng)的密封性能以及對惡劣天氣條件的適應(yīng)性應(yīng)用。

3.結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于PSD（位置靈敏探測器）的坦克炮口彎曲變形量的自動測量裝置，可實現(xiàn)坦克炮口彎曲變形量的車內(nèi)自動、實時測量和修正，進(jìn)而可以實現(xiàn)坦克車內(nèi)自動、實時修正炮口彎曲變形量，提升坦克火炮的校炮效率和射擊精度。同時，該自動測量裝置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。

＊ [1]樊成軍.身管彎曲對火炮射擊精度影響分析[D].南京:南京理工大學(xué).2002.

＊ [2]遲鐵.炮口偏移量測量方法研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2009.

＊ [3]于麗霞，王福明.一維PSD 器件及其在測量中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(7)：143-144.

＊ [4]陳冉,王長江,劉廣華.一種基于PSD的光電自動校炮裝置[J]應(yīng)用光學(xué)，2014，35(6)：971-975.

＊ [5]劉榮艷.嵌入式炮口抖動測量系統(tǒng)研究[J].應(yīng)信息通信，2015(10)：18-19.

＊ [6]張冬,王振宏.PSD光電自準(zhǔn)直儀工作原理及誤差分析[J].學(xué)術(shù)交流,2014,12:46-47.

＊ [7]吳鴻,陳沖,李超等.一種基于PSD的轉(zhuǎn)速測量新方法[J]電子測量與儀器學(xué)報,2014,28(9):1033-1039.

＊ [8]孫強(qiáng),馮婕,安靜等,基于 PSD 的機(jī)載光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)穩(wěn)定精度的測量方法[J].電子測試,2016(14):49-50.

＊ [9]劉斌，陸永華,楊超. 基于PSD 的激光跟蹤測量控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)電工程,2015,32(8):1033-1037,1055.

＊ [10]劉嬌月，楊聚慶，董登峰.基于 PSD 的激光跟蹤儀光電瞄準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用與研究[J].Instrument Technique and Sensor,2015 Jul:98-100.