姜會(huì)林， 王春艷， 趙義武， 王曉曼， 婁巖

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心， 吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022；3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022; 4.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

?

火控跟瞄動(dòng)態(tài)性能測(cè)試技術(shù)研究

姜會(huì)林1,2， 王春艷3， 趙義武1,2， 王曉曼4， 婁巖1,2

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心， 吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022；3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022; 4.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

火控系統(tǒng)是現(xiàn)代武器的核心，主要完成目標(biāo)搜索、瞄準(zhǔn)、跟蹤、測(cè)距，自動(dòng)提供彈道修正量，解算射擊諸元、裝定射角，并控制射擊?；鹂貏?dòng)態(tài)系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確測(cè)試和動(dòng)態(tài)校正十分重要。提出了光電法測(cè)試火控動(dòng)態(tài)性能的思想，重點(diǎn)論述了光學(xué)動(dòng)態(tài)跟瞄的原理與方法，并簡(jiǎn)述了研制成果的應(yīng)用效果。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 火控系統(tǒng)； 動(dòng)態(tài)檢測(cè)； 光學(xué)設(shè)計(jì)

0　引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求武器在行進(jìn)中首發(fā)命中，且反應(yīng)時(shí)間短，即打得準(zhǔn)，打得快。而我國(guó)裝甲車輛等武器的動(dòng)態(tài)命中率低，如三代改進(jìn)型車輛動(dòng)對(duì)動(dòng)射擊的命中率比靜對(duì)靜低20%多。影響武器動(dòng)態(tài)命中率的一個(gè)主要原因是缺乏對(duì)火控動(dòng)態(tài)性能的準(zhǔn)確測(cè)量和動(dòng)態(tài)校正的手段(以往主要靠實(shí)彈射擊，精度差、效率低、費(fèi)用高)[1]，已成為制約我軍戰(zhàn)斗力和生存能力的瓶頸。全面準(zhǔn)確測(cè)試火控動(dòng)態(tài)性能的主要難度在于：被測(cè)對(duì)象往往工作在強(qiáng)顛簸、強(qiáng)振動(dòng)、大角加速度(700～800°/s2)運(yùn)動(dòng)中，而且處于煙霧、沙塵、氣候多變的環(huán)境中。如何在這樣的高動(dòng)態(tài)、惡劣環(huán)境狀況下實(shí)現(xiàn)火控性能的高精度測(cè)試，這是本文要討論的主要問(wèn)題。

1　總體設(shè)計(jì)思想

針對(duì)以往測(cè)試火控動(dòng)態(tài)性能存在的弊端，以及惡劣環(huán)境給測(cè)試造成的困難，提出了光電測(cè)試方法：在武器平臺(tái)上安裝四路光學(xué)裝置(簡(jiǎn)稱為四鏡)，相對(duì)于被測(cè)對(duì)象構(gòu)建了“三線”，即瞄準(zhǔn)線、基準(zhǔn)線、炮軸線。測(cè)量這“三線”的動(dòng)態(tài)誤差，即反映出火控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[1]，從而代替了以往的“實(shí)彈射擊”。

首先要建立基準(zhǔn)。炮軸基準(zhǔn)線(基準(zhǔn)線獲取裝置產(chǎn)生)是原始基準(zhǔn)；炮口處炮軸線(炮軸線產(chǎn)生裝置產(chǎn)生)是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)(決定彈道)；炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡的瞄準(zhǔn)線(瞄準(zhǔn)線獲取裝置產(chǎn)生)是控制基準(zhǔn)(控制炮管)；基準(zhǔn)線(過(guò)渡基準(zhǔn)線獲取裝置產(chǎn)生)是過(guò)渡基準(zhǔn)。

上述的四路光學(xué)裝置的安裝位置分別是：瞄準(zhǔn)線獲取裝置(JM)安裝在炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡目鏡上(為不影響泡狀觀察，用分光鏡實(shí)現(xiàn))；基準(zhǔn)線獲取裝置(JT)安裝在炮膛內(nèi)藥室處、過(guò)渡基準(zhǔn)線獲取裝置(JJ)安裝在炮管外側(cè)根部起始段，炮軸線獲取裝置(JK)安裝在炮口處。這四路光學(xué)裝置在武器平臺(tái)上的安裝情況如圖1所示。

圖1　“四鏡”、“三線”示意圖Fig.1　Schematic diagram of “four mirrors” and “three lines”

四路光學(xué)裝置與無(wú)線傳輸分系統(tǒng)、圖像處理分系統(tǒng)、車載控制分系統(tǒng)、主控電箱及工程方艙等一起，組成了新一代的光電法火控動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2　測(cè)試系統(tǒng)組成圖Fig.2　Test system configuration

2　測(cè)試項(xiàng)目與方法

2.1測(cè)試項(xiàng)目及其與測(cè)試裝置的關(guān)系

測(cè)試項(xiàng)目及其與測(cè)試裝置的關(guān)系如表1所示。

表1　測(cè)試項(xiàng)目與測(cè)試設(shè)備關(guān)系

注：√表示測(cè)試時(shí)使用該設(shè)備；⊙表示配合使用

2.2測(cè)試項(xiàng)目分析舉例

2.2.1瞄準(zhǔn)線零位走動(dòng)量測(cè)試

首先使用校炮鏡校正炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)線和火炮軸線，將二者交匯于校炮靶十字線。

然后取下校炮鏡，將JT插入炮膛內(nèi)導(dǎo)向部起始段，通過(guò)操縱臺(tái)使瞄準(zhǔn)線對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)十字線，記錄JT十字線相對(duì)靶標(biāo)十字線的偏差量。

射擊后再將JT插入原來(lái)位置，通過(guò)操縱臺(tái)使瞄準(zhǔn)線對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)十字線，記錄此時(shí)JT十字線相對(duì)靶標(biāo)十字線的偏差量。

兩次偏差量之差，即為瞄準(zhǔn)線零位走動(dòng)量。

2.2.2火炮裝定角精度測(cè)試

首先將車輛(坦克等)停放在水平地面上，用靶標(biāo)去校正炮軸線、瞄準(zhǔn)線和基準(zhǔn)線(JJ產(chǎn)生)；再根據(jù)彈種(穿甲彈、破甲彈、榴彈等)和環(huán)境設(shè)置參數(shù)(藥溫、氣溫、風(fēng)向、海拔高度、靶標(biāo)與車輛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等)，并輸入射擊距離。

然后車輛處于行進(jìn)狀態(tài)，靶標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)。炮手通過(guò)炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)，并按程序要求進(jìn)行瞄準(zhǔn)(不射擊，只是模擬射擊)，火控計(jì)算機(jī)輸出各射擊諸元，火控動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)記錄圖像。對(duì)記錄的圖像進(jìn)行處理和判讀，確定瞄準(zhǔn)線和基準(zhǔn)線(JJ產(chǎn)生，安裝在炮管外部炮根起始段)相對(duì)靶標(biāo)十字線的偏差量(分高低向、方位向)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。相同時(shí)刻的偏差量即為實(shí)際的射角(垂直向裝定角)和提前量(水平向裝定角)。

最后將實(shí)測(cè)的射擊諸元(由火控動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)記錄的)與火控計(jì)算機(jī)輸出的射擊諸元相減，即獲得火炮裝定角精度(跟蹤誤差的表現(xiàn)形式與裝定角精度不同，是通過(guò)軟件剔除的，不算在其中)。

2.2.3穩(wěn)定器穩(wěn)定精度測(cè)試

首先將車輛(坦克等)停放在試驗(yàn)道路起點(diǎn)，以炮軸線為基準(zhǔn)，校正基準(zhǔn)線(JJ產(chǎn)生)和瞄準(zhǔn)線(JM產(chǎn)生)。然后車輛行進(jìn)，車輛達(dá)到規(guī)定的行駛速度后，炮長(zhǎng)通過(guò)JM瞄準(zhǔn)靶標(biāo)十字線，炮控系統(tǒng)獨(dú)立工作，火控動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)始記錄圖像。

再對(duì)多次記錄的圖像進(jìn)行判讀，并給出基準(zhǔn)線在高低向和方位向隨時(shí)間變化的偏差曲線，再用最小二乘法求出均方差，即為穩(wěn)定器的穩(wěn)定精度。

3　動(dòng)態(tài)跟瞄技術(shù)

火控動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的精度，主要取決于測(cè)試過(guò)程中的動(dòng)態(tài)跟瞄精度。采取的措施主要體現(xiàn)在獲取“三線”的四套裝置上。

3.1基準(zhǔn)線獲取裝置

其作用是標(biāo)定炮膛根部的炮膛軸線。為了使JT的光學(xué)軸線和炮膛軸線在動(dòng)態(tài)情況下保持一致，利用動(dòng)態(tài)光學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在光學(xué)系統(tǒng)中，角放大率等于1的一對(duì)共軛面，稱為節(jié)平面；節(jié)平面與光軸的交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)繞通過(guò)像方節(jié)點(diǎn)(也稱后節(jié)點(diǎn))的垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果一束平行光射向系統(tǒng)，其通過(guò)像方節(jié)點(diǎn)的出射光線一定平行于入射光線，且出射光線的像點(diǎn)位置也不會(huì)因系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化。

當(dāng)物體處于無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，上述結(jié)論成立。但是當(dāng)物體不在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，能否找到具有上述性質(zhì)的點(diǎn)呢？為此，本文引入了“等效節(jié)點(diǎn)”的概念[2]。

等效節(jié)點(diǎn)：透鏡或透鏡系統(tǒng)繞其J0轉(zhuǎn)動(dòng)，使像點(diǎn)保持不動(dòng)的J0點(diǎn)。如圖3所示。

有下列關(guān)系：

式中：β0表示光學(xué)系統(tǒng)的垂軸放大率。

當(dāng)物體在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，等效節(jié)點(diǎn)與像方節(jié)點(diǎn)重合；物體在物方焦點(diǎn)上時(shí)，則等效節(jié)點(diǎn)與物方節(jié)點(diǎn)重合。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了一種同軸定位機(jī)構(gòu)，其剖面如圖4所示，其原理如圖5所示。通過(guò)機(jī)械支撐，將等效節(jié)點(diǎn)所在平面及像平面固定在炮膛內(nèi)壁上，無(wú)論炮管如何顛簸振動(dòng)，目標(biāo)的像點(diǎn)始終保持在像面上位置不變。

圖4　同軸定位機(jī)構(gòu)剖面圖Fig.4　Cutaway view of coaxial positioning mechanism

圖5　軸- 孔軸線確定原理示意圖Fig.5　Hole-axis determination

采用上述原理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并采用高精度的加工、檢測(cè)與裝調(diào)方法，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)軸線與炮膛軸線的動(dòng)態(tài)高精度同軸(優(yōu)于5″)，而且重復(fù)裝卡精度優(yōu)于7″，從而為火控動(dòng)態(tài)性能的高精度測(cè)試奠定了基礎(chǔ)。

3.2炮軸線獲取裝置

JK安裝在炮口處，以炮口處內(nèi)膛定位，它表征了炮彈射擊的方向。其光學(xué)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)軸應(yīng)該和炮口處炮膛線重合。為此設(shè)計(jì)了如圖6所示的光機(jī)結(jié)構(gòu)和圖7所示的光學(xué)系統(tǒng)。

圖6　嵌入式無(wú)線校炮裝置光機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Opto-mechanical structure of flush-bonding wireless gun calibration device

圖7　炮軸線獲取裝置光學(xué)系統(tǒng)Fig.7　Optical system of checking gun

JK的定位面連線表征了炮口處的炮膛軸線。在JK轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，其定位面應(yīng)始終保持和炮膛接觸(靠彈簧的作用)?？紤]懸臂梁作用，彈簧力應(yīng)該足夠。為此利用杠桿原理，用連桿機(jī)構(gòu)，將JK裝入炮口時(shí)，彈簧壓縮，免于劃傷炮膛和磨損定位面；裝入后再將彈簧升起，保證定位面始終和炮膛接觸[3]。炮軸線獲取裝置可實(shí)現(xiàn)CCD接收與目視觀測(cè)。

3.3過(guò)渡基準(zhǔn)線獲取裝置

JJ裝在炮根部的炮管外，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖8和圖9所示[4-5]。

圖8　過(guò)渡基準(zhǔn)線獲取裝置光機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.8　Opto-mechanical structure of transition baseline acquisition device

圖9　過(guò)渡基準(zhǔn)線獲取裝置光學(xué)系統(tǒng)Fig.9　Optical system of gun tube axis acquisition device

JJ能夠?qū)崿F(xiàn)目視系統(tǒng)與CCD同時(shí)接收分劃板的像。

為了保證過(guò)渡基準(zhǔn)線與校炮軸的平行，在安裝時(shí)應(yīng)按下面要求進(jìn)行。

首先將JK插入炮口，在其前部放置調(diào)校裝置，如圖10所示，由直角棱鏡DI-90°和直角屋脊棱鏡DIJ-90°構(gòu)成。光源經(jīng)JK目鏡后照亮JJ的分劃板，再經(jīng)調(diào)校裝置成像在JJ的CCD上。由于調(diào)校裝置的動(dòng)態(tài)成像特性是空間任意軸轉(zhuǎn)動(dòng)均不產(chǎn)生像偏轉(zhuǎn)，所以只要將其放置在JK之前即可。若JK和JJ的瞄準(zhǔn)軸平行，則JK分劃板十字線中心就會(huì)準(zhǔn)確成像在JJ的電十字線中心，從而可以保證JJ的瞄準(zhǔn)軸和炮膛軸平行。

圖10　過(guò)渡基準(zhǔn)線獲取裝置安裝圖Fig.10　Installation drawing of the transition baseline acquisition

3.4瞄準(zhǔn)線獲取裝置

JM是在炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡目鏡后方加一分光棱鏡，將30%的光反射到雙膠合透鏡上，被CCD接收，如圖11所示。這樣，在不影響炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，在CCD上提取瞄準(zhǔn)線的信息。

圖11　瞄準(zhǔn)線獲取裝置光機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.11　Opto-mechanical structure of line-of-sight acquisition device

火炮瞄準(zhǔn)鏡采用了光學(xué)穩(wěn)像系統(tǒng)，它是在火炮機(jī)械穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次穩(wěn)定。

入射光線不變，炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡觀瞄系統(tǒng)整體偏移θ，從直角棱鏡出射的光線相對(duì)于豎直方向偏2θ(相對(duì)于法線方向?yàn)棣?，經(jīng)過(guò)-2×望遠(yuǎn)系統(tǒng)，入射光線相對(duì)于法線方向?yàn)?θ(相當(dāng)于豎直方向?yàn)棣?，經(jīng)五棱鏡后出射光線相對(duì)于法線方向?yàn)?θ(相當(dāng)于水平方向?yàn)棣?，而等腰棱鏡由穩(wěn)定陀螺固定相當(dāng)于位置不變，則入射到等腰棱鏡的角度為θ. 經(jīng)等腰棱鏡出射光線相當(dāng)于法向(水平方向)為θ，而炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡觀瞄系統(tǒng)整體向上偏移θ，所以相當(dāng)于出射光線垂直進(jìn)入炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡觀瞄系統(tǒng)。

對(duì)于下反式穩(wěn)像系統(tǒng)，用陀螺儀穩(wěn)定120°棱鏡。當(dāng)坦克顛簸時(shí)，鏡身主體隨之?dāng)[動(dòng)。如圖12所示，來(lái)自目標(biāo)的入射光束(即瞄準(zhǔn)線)，經(jīng)直角棱鏡、-2×望遠(yuǎn)系統(tǒng)、五角棱鏡，再經(jīng)被陀螺儀穩(wěn)定的120°棱鏡后，其出射光束恰好與后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)光軸同方向，因此炮手觀察目標(biāo)的像仍然是穩(wěn)定的。

圖12　下反式穩(wěn)像系統(tǒng)使用示意圖Fig.12　Schematic diagram of line-of-sight acquisition device

對(duì)于上反式穩(wěn)像系統(tǒng)，要求瞄準(zhǔn)鏡鏡體隨車體顛簸時(shí)，成像保持穩(wěn)定，為此，要求上反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的角度應(yīng)是鏡體轉(zhuǎn)動(dòng)角度的一半，如圖13所示。上反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)一半是由1/2機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)瞄準(zhǔn)鏡鏡體整體偏轉(zhuǎn)γ，也就是原始光軸偏轉(zhuǎn)γ. 入射光不變，經(jīng)上反射鏡反射后，出射光線偏轉(zhuǎn)2γ(相對(duì)于豎直方向)，為保證出射光線與偏轉(zhuǎn)后的光軸平行，需調(diào)整上反射鏡反方向轉(zhuǎn)動(dòng)γ/2，則出射光偏轉(zhuǎn)γ，這樣就可以使出射光線垂直進(jìn)入成像系統(tǒng)內(nèi)。

圖13　上反式穩(wěn)像系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖Fig.3　Operating state of upper-reflection image-stabilized system

4　應(yīng)用與對(duì)比

利用本文提出的思想與方案，設(shè)計(jì)并研制了測(cè)試系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上火控動(dòng)態(tài)性能全部指標(biāo)的實(shí)時(shí)、高精度測(cè)試，測(cè)量項(xiàng)目全，精度高，速度快。本系統(tǒng)與原有測(cè)試能力比較，見(jiàn)表2所示。

表2　本系統(tǒng)與原有測(cè)試能力比較

本系統(tǒng)已經(jīng)在陸軍、海軍、空軍以及相關(guān)科研與生產(chǎn)單位應(yīng)用，均獲得了滿意的效果。不僅測(cè)試精度很高，而且對(duì)武器火控系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校正，提高了射擊精度。國(guó)家有關(guān)部門已將此成果確定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

火控動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)的研制成功，為提高武器的首發(fā)命中率和縮短反應(yīng)時(shí)間發(fā)揮了重要作用。

References)

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Research on Tracking Technology of the Fire Control Dynamic Performance Test System

JIANG Hui-lin1,2， WANG Chun-yan3， ZHAO Yi-wu1,2， WANG Xiao-man4, LOU Yan1,2

(1.NUERC of Space and Optoelectronics Technology, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin，China； 2.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin，China； 3.College of Optoelectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China; 4.School of Electronics and Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China)

Fire control system is the core of modern weapons. The main functions of the system are target searching, singting, tracking, and rangefinding ranging. It provides automatically ballistic correction ballistic correction, multi-solver firing data, setting angle and fire control. Accurate test and dynamic calibration are very important for the dynamic performance of fire control system. The new ideas which use the opto-electronic method to test the fire control dynamic performance, and the principles and methods of optical dynamic tracking and pointing are discussed.

ordnance science and technology; fire control system; dynamic detection; optical design

2014-07-01

國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(613225)； 國(guó)家自然科學(xué)基金重大培育項(xiàng)目(91338116)

姜會(huì)林(1945—), 男， 教授， 博士生導(dǎo)師。 E-mail: hljiang@cust.edu.cn

TH745

A

1000-1093(2015)04-0763-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.04.027