坦克瞄準(zhǔn)精度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與精度分析

邵英琦，劉博文，馮進(jìn)良

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

坦克火炮的瞄準(zhǔn)精度是衡量其火力系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了一種新型的檢校技術(shù)，用坦克瞄準(zhǔn)線和坦克火炮軸線在坦克對(duì)稱面和水平面內(nèi)的投影的平行度誤差表達(dá)坦克火炮的瞄準(zhǔn)精度，通過(guò)將出瞳距轉(zhuǎn)接光學(xué)系統(tǒng)和激光準(zhǔn)直系統(tǒng)加裝在瞄準(zhǔn)鏡前端，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直激光束模擬瞄準(zhǔn)線，采集數(shù)據(jù)的同時(shí)方便人眼觀察。

1 測(cè)量系統(tǒng)工作原理

1.1 測(cè)量系統(tǒng)

坦克瞄準(zhǔn)線與坦克火炮軸線在坦克對(duì)稱面和水平面內(nèi)的是平行，以此條件為依據(jù)對(duì)坦克瞄準(zhǔn)精度進(jìn)行檢校。依據(jù)平行校靶方法的通用要求，設(shè)計(jì)出一套對(duì)坦克瞄準(zhǔn)線與坦克火炮軸線之間平行度誤差的測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，由光源系統(tǒng)、成像系統(tǒng)及圖像采集處理系統(tǒng)三部分組成。采用激光器1，2的準(zhǔn)直激光光束分別模擬坦克瞄準(zhǔn)線和火炮軸線，并在靶面上設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)標(biāo)定的標(biāo)尺，該標(biāo)尺位于兩光斑附近，CCD相機(jī)對(duì)光斑圖像進(jìn)行采集，在同一幅圖像中同時(shí)采集到2個(gè)光斑和標(biāo)尺圖像，并將記錄下來(lái)的圖片信息上傳計(jì)算機(jī)上，通過(guò)計(jì)算光斑質(zhì)心得到瞄準(zhǔn)軸線和火炮軸線位置關(guān)系。

1.2 測(cè)量原理

圖1 測(cè)量系統(tǒng)圖

如圖2（a）所示，在D1=25m和D2=50m條件下分兩次測(cè)量。靶板上設(shè)置長(zhǎng)度標(biāo)定過(guò)的十字標(biāo)尺，該標(biāo)尺位于兩光斑附近。兩次測(cè)量結(jié)果如圖2（b），2（c）所示，兩線與靶板相交兩點(diǎn)之間的水平位差用Δx1，Δx2表示，垂直位差用Δy1，Δy2表示。瞄準(zhǔn)線與火炮軸線在坦克水平面內(nèi)的平行度誤差為Δα，在坦克對(duì)稱面內(nèi)的平行度誤差為Δβ[2］。

圖2 測(cè)量原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光源系統(tǒng)采用He-Ne激光器，波長(zhǎng)為632.8nm，輸出功率為2mW。He-Ne激光光束具有高度的方向性、單色性、相干性和能量集中性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。廣泛應(yīng)用于各類軸線的平行度測(cè)量。通過(guò)對(duì)瞄準(zhǔn)鏡前端出瞳距轉(zhuǎn)接光學(xué)系統(tǒng)和炮口激光器夾具的設(shè)計(jì)，保證激光器光軸與被測(cè)對(duì)象軸線的同軸度，實(shí)現(xiàn)用激光器1，2的光軸分別模擬瞄準(zhǔn)線和火炮軸線。

2.1.1 準(zhǔn)直激光模擬坦克瞄準(zhǔn)鏡軸線的設(shè)計(jì)

由于坦克瞄準(zhǔn)鏡是一個(gè)完整的光學(xué)系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)校靶儀器的插入。本文采用改變瞄準(zhǔn)鏡出瞳距離的方法，把同軸激光光源安裝在觀瞄系統(tǒng)前端，實(shí)現(xiàn)用準(zhǔn)直激光光束模擬瞄準(zhǔn)線，測(cè)量同時(shí)兼顧目視觀瞄。具體如圖3所示，將出瞳距轉(zhuǎn)接光學(xué)系統(tǒng)和體外反射鏡與觀瞄系統(tǒng)同軸安裝，以此為基準(zhǔn)安裝系統(tǒng)光源。觀察自準(zhǔn)直儀分劃板刻線，調(diào)整儀器主體，使十字標(biāo)線與指示分劃板零位重合，瞄準(zhǔn)線與激光器光軸同軸。測(cè)量時(shí)，移除反射鏡，使激光束到達(dá)目標(biāo)靶面，得到激光光斑圖像。

圖3 瞄準(zhǔn)鏡光源裝置示意圖

2.1.2 準(zhǔn)直激光模擬坦克火炮軸線的設(shè)計(jì)

坦克火炮軸線也采用準(zhǔn)直激光來(lái)模擬，工作時(shí)，需要根據(jù)炮管的尺寸配做適合的夾具，將He-Ne激光器固定在炮口軸心位置，以保證激光器軸線和炮口軸線的同軸度。采用圖4所示的剛性的接口法蘭作為夾具，可以保證平行度在0.01mm以內(nèi)[3］。

圖4 夾具結(jié)構(gòu)圖

2.2 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 成像系統(tǒng)參數(shù)確定

作為測(cè)量系統(tǒng)的成像部分，其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)與系統(tǒng)的測(cè)量精度有直接的關(guān)系。例如，CCD的像元大小，直接決定了系統(tǒng)的最小誤差；系統(tǒng)的畸變也會(huì)在一定程度上對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。因此，成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的重要一環(huán)[4］。

表1 感光芯片CCD主要參數(shù)表

選用索尼公司推出的一款A(yù)PS規(guī)格600萬(wàn)像素的CCD系列傳感器，適配于尼康D100相機(jī)，所選參數(shù)如表1所示。芯片尺寸為1/1.8inch，即23.62mm×15.75mm。為了增大像面的利用率，靶面寬與芯片寬高比應(yīng)相同，約為1.5。結(jié)合坦克校靶實(shí)際檢測(cè)情況，這里選用2.3m×1.5m透光薄板作為激光接收靶面。擬定物距為5m，根據(jù)靶面尺寸，理論計(jì)算出鏡頭物方視場(chǎng)2ω為：

因?yàn)槭窃O(shè)計(jì)采集靶面光斑點(diǎn)位置識(shí)別的光學(xué)系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)畸變必須控制在1%以內(nèi)，保證測(cè)量的精確，進(jìn)而可以近似像方視場(chǎng)tanω'=tanω，即像方視場(chǎng)2ω'與物方視場(chǎng)2ω相等。根據(jù)芯片尺寸，理論計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的焦距為：

2.2.2 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

為了減小測(cè)量帶來(lái)的影響，系統(tǒng)的畸變需要嚴(yán)格控制，因此，選擇類雙高斯衍變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)波段為可見(jiàn)光波段[5］。根據(jù)前面計(jì)算的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

圖5（a）為光學(xué)系統(tǒng)的2D結(jié)構(gòu)圖。由圖5（b）可看出，RMS光斑最大半徑3.1μm以內(nèi)，各像差均衡結(jié)果較好。由圖5（c）可看出，成像系統(tǒng)所有視場(chǎng)的畸變均小于-0.55%，對(duì)測(cè)量的結(jié)果影響很小，幾乎可以忽略，由圖5（d）可看出，所有視場(chǎng)MTF數(shù)值在150線對(duì)處均達(dá)到0.5以上。從以上設(shè)計(jì)結(jié)果中可以看出，各視場(chǎng)像質(zhì)均達(dá)到較好效果，該鏡頭符合設(shè)計(jì)要求。

3MATLAB數(shù)字圖像處理及數(shù)值計(jì)算

3.1 圖像處理

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真25m處和50m處的靶面采集圖，本文采用將圖片的RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為HSV顏色空間，通過(guò)MATLAB工具箱提供的graythresh函數(shù)，使用最大類間方差法得到閾值，對(duì)灰度圖進(jìn)行閾值分割并得到圖像二值化黑白圖。并利用bwlabel函數(shù)對(duì)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記和Regionprops函數(shù)對(duì)面積區(qū)域?qū)傩赃M(jìn)行提取，利用cat函數(shù)將每個(gè)區(qū)域的面積屬性整合到一起，再將各區(qū)域面積大小降序排列，只保留前兩個(gè)區(qū)域去噪聲處理，僅保留需要識(shí)別的2個(gè)光斑點(diǎn)。再次利用Regionprops函數(shù)對(duì)區(qū)域標(biāo)記和區(qū)域質(zhì)心屬性進(jìn)行提取，鏈接成一個(gè)含質(zhì)心（x，y）的矩陣，獲得質(zhì)心列表。利用反色，突出目標(biāo)質(zhì)心點(diǎn)，其中顏色可合理選擇，如圖6所示。

圖6 質(zhì)心識(shí)別圖

3.2 數(shù)值計(jì)算

通過(guò)識(shí)別出的位置1，2的光斑質(zhì)心坐標(biāo)，并利用公式（1），（2）計(jì)算得到本次模擬水平面和坦克對(duì)稱面火炮軸線方與瞄準(zhǔn)鏡軸線的投影平行度誤差的仿真數(shù)值1.27°和1.25°。

4 精度分析

系統(tǒng)的誤差來(lái)源主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面[6］。

4.1 探測(cè)器引入誤差

所選用的CCD相機(jī)的像元尺寸為7.5μm×7.5μm，鏡頭放大倍率為1/96.722，故相機(jī)在靶面上能分辨的距離約為0.726mm。兩次測(cè)量的測(cè)量點(diǎn)間距為25mm，則對(duì)應(yīng)的測(cè)角誤差為：α1＜0.725/25000rad=2.9×10-5rad≈0.029mil。

4.2 激光器裝調(diào)誤差

激光器所采用的夾具全部由剛性元件組成，裝配偏心誤差為0.01mm，激光器長(zhǎng)度為200mm，準(zhǔn)直激光光束與炮管軸線不同軸誤差α2＜0.05mil。

4.3 數(shù)字圖像處理引起的誤差

圖像處理時(shí)，由于對(duì)圖像進(jìn)行灰度和二值化轉(zhuǎn)換，會(huì)引起光斑邊緣的像素產(chǎn)生一個(gè)像素的位置變化誤差。由此，由數(shù)字圖像處理引起的誤差α3＜0.029mil。

4.4 激光光束同靶面不垂直度引起的誤差

瞄準(zhǔn)鏡激光軸線與靶面不垂直度，可通過(guò)自準(zhǔn)直儀調(diào)整靶面的空間位置控制在1°以內(nèi)，引起的光斑位置誤差ΔL=0.4mm，產(chǎn)生系統(tǒng)的測(cè)角誤差α4=0.4/25000rad≈0.016mil。

4.5 靶面坐標(biāo)標(biāo)尺刻度誤差：

基于靶面的加工工藝和板材形變量，刻度誤差能控制在0.2mm，由此引起的測(cè)角角度誤差為α5=0.2/25000rad≈0.008mil。

4.6 誤差綜合

綜上，整個(gè)系統(tǒng)總誤差表示為：

測(cè)量誤差在0.07mil以內(nèi)，能夠滿足測(cè)量需求[7］。

5 結(jié)論

本文提出一種采用激光準(zhǔn)直光束模擬瞄準(zhǔn)鏡軸線的新方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)坦克各軸線平行度的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)裝置的安裝和拆卸原理十分簡(jiǎn)潔，操作方便，測(cè)量精度達(dá)到0.067mil，能很好的滿足要求。對(duì)于坦克炮瞄準(zhǔn)精度和其他同類武器系統(tǒng)的平行性檢校具有良好的應(yīng)用和開發(fā)前景，可以用來(lái)指導(dǎo)坦克炮的生產(chǎn)和制造。

[1]崔金河，盧廣山.GJB660A-98，機(jī)載武器系統(tǒng)校正與校靶通用要求[S］.國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1998-03-16.

[2]李志強(qiáng).坦克炮管定向精度測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J］.兵工學(xué)報(bào)（坦克裝甲車與發(fā)動(dòng)機(jī)分冊(cè)），1999，20（01）：38-41.

[3]何東，李乃根.機(jī)床夾具精度計(jì)算原則的分析[J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2001，30（04）：3-4.

[4]王春艷，李帥，袁濟(jì)林，等.重復(fù)瞄準(zhǔn)精度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（02）：28-31.

[5]袁旭滄.光學(xué)設(shè)計(jì)[M］.北京：科學(xué)出版社，1983.

[6]牟達(dá).基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的多管火箭炮平行性測(cè)量的研究[D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2003.