孫 昊，王春艷

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

引言

武器火炮控制系統(tǒng)簡稱武器火控系統(tǒng)，可以通過自動(dòng)或半自動(dòng)的方式實(shí)施武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)與發(fā)射。現(xiàn)代火控系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，平臺(tái)較多，例如火箭和導(dǎo)彈、艦載武器(魚雷、導(dǎo)彈、艦炮及深水炸彈)、機(jī)載武器(航炮、導(dǎo)彈及炸彈)、坦克炮等武器作戰(zhàn)裝備?；鹂叵到y(tǒng)的配備，可使非制導(dǎo)武器適應(yīng)于多種惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，同時(shí)提高發(fā)射的快速性及瞄準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，最大程度地發(fā)揮武器的毀傷能力；制導(dǎo)武器配備火控系統(tǒng)，高精度地發(fā)射瞄準(zhǔn)不僅能改善制導(dǎo)的工作條件，有效降低制導(dǎo)系統(tǒng)的失誤率，還可增強(qiáng)導(dǎo)彈對(duì)機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)目標(biāo)的反應(yīng)能力。

火控系統(tǒng)構(gòu)成：目標(biāo)跟蹤器、射擊控制儀、火力控制計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)臺(tái)、必要外圍設(shè)備及接口設(shè)備。作用：獲取戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)信息和目標(biāo)數(shù)據(jù)及技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)輔助決策；控制火力武器設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)估量射擊效果。確?；鹂叵到y(tǒng)能夠完成使命的至關(guān)重要因素即精度指標(biāo)，精度的高低直接反應(yīng)在武器的命中概率上。武器裝備火力、火控系統(tǒng)在真正投入使用之前，需要經(jīng)過嚴(yán)格的靶場試驗(yàn)，對(duì)其各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行考核與測試。

在前人探索的基礎(chǔ)上，對(duì)國內(nèi)外相關(guān)測試手段進(jìn)行研究，運(yùn)用一種新的靜態(tài)測試方法，設(shè)計(jì)出一套完整的火控性能參數(shù)測試系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)火炮炮身松動(dòng)量、過渡過程品質(zhì)、剛性、調(diào)炮速度、最大角速度、最大角加速度、炮身松動(dòng)量7項(xiàng)指標(biāo)的檢測。

1 系統(tǒng)原理

本測試系統(tǒng)主要由靜態(tài)參數(shù)光學(xué)測量頭、車載中心控制裝置、圖像處理裝置、測試靶等部分組成。

火控系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)測試時(shí)，在火炮身管上施加規(guī)定的力，使火炮身管(連同光學(xué)測量頭)產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)，再通過光學(xué)測量頭采集坐標(biāo)靶(靶面上貼有方格紙)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的圖像，運(yùn)用圖像采集卡將采集到的圖像存儲(chǔ)為數(shù)字信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，提取相關(guān)信息，推算火炮身管的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算出相應(yīng)參數(shù)。同理可測出炮身松動(dòng)量、剛性、火炮最大調(diào)炮速度等7項(xiàng)指標(biāo)。

2 靜態(tài)參數(shù)光學(xué)測量頭設(shè)計(jì)

靜態(tài)參數(shù)光學(xué)測量頭由光學(xué)系統(tǒng)、CCD(charge-coupled device)攝像頭、機(jī)械殼體組成，并通過彈性脹套夾具(可適用于多種口徑的炮管)將光學(xué)測量頭安裝于炮口內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)與炮管的全方位同步運(yùn)動(dòng)。

靜態(tài)參數(shù)光學(xué)測量頭的圖像信息采集、傳輸、處理、記錄分別由車載中心控制裝置、圖像信息傳輸裝置、圖像信息處理系統(tǒng)來完成。

2.1 CCD相機(jī)選擇

電荷耦合元件CCD，是一種擁有許多電容的集成電路，能感應(yīng)光線并將圖像信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。關(guān)于CCD相機(jī)選擇，重點(diǎn)考慮相機(jī)的分辨率、靈敏度、像素尺寸、外形尺寸等指標(biāo)[1]，同時(shí)考慮溫度條件、幀頻、動(dòng)態(tài)范圍等因素，選用SONY公司XC-ST50CE模擬相機(jī)[2]，參數(shù)見表1。

表1 SONY公司XC-ST50CE相機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of SONY XC-ST50CE camera

2.2光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1) 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

技術(shù)指標(biāo)要求：

作用距離1.5 m；

口徑≥10 mm；

對(duì)角線視場≥4°；

適用于不同口徑火炮身管；

2) 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(modulation transfer function)是評(píng)價(jià)光電成像系統(tǒng)總體成像質(zhì)量的重要指標(biāo)。根據(jù)已知的視場角、焦距、成像的光譜范圍來確定光學(xué)系統(tǒng)的初始解。利用自己研制的光學(xué)自動(dòng)求初始結(jié)構(gòu)軟件，選擇滿足要求的光學(xué)玻璃組合，并確定各光學(xué)鏡片的半徑。通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化，用小像差互補(bǔ)，優(yōu)化最后結(jié)果，并套樣板得到表2的光學(xué)參數(shù)，其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線如圖2所示。

表2光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table2Opticalsystemstructureparameters

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Optical system structure

圖2 光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線圖Fig.2 Optical system MTF

3)光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)及適應(yīng)性分析

光學(xué)系統(tǒng)采用多片組合近似對(duì)稱結(jié)構(gòu)，便于校正短焦距、大視場光學(xué)系統(tǒng)的慧差、象散、畸變、倍率色差等軸外像差，實(shí)現(xiàn)全視場、寬光譜條件下的高清晰度成像。

由MTF曲線可知，各視場的傳遞函數(shù)曲線幾乎與衍射極限重合，且在60(線對(duì)/mm)處的MTF值達(dá)到了0.6以上。

考慮溫度變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響，模擬分析了焦距、后截距隨溫度的變化情況，由表3和圖3可以看出，在-30℃～+50℃與正常溫度20℃相比，光學(xué)傳遞函數(shù)變化不大，故該光機(jī)結(jié)構(gòu)在高低溫下工作是穩(wěn)定可靠的[3]。

表3 焦距、后截距隨溫度的變化情況Table 3 Focus, back focal length changes with temperature

圖3 光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)隨溫度的變化圖Fig.3 MTF of optical system in different temperatures

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用彈性脹套新型的聯(lián)接方式，它是利用錐面壓緊后所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞扭矩和軸向力。與其他方式相比,彈性脹套具有制造安裝簡單方便、定心精度高、承載能力高、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。圖4為靜態(tài)光學(xué)測量頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖4 系統(tǒng)二維裝配圖Fig.4 2D drawing of system assembly

3 測試方法

因?yàn)榛鹋诘恼{(diào)炮速度直接決定著武器系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤目標(biāo)的能力，調(diào)炮速度越高就能更快、更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并在第一時(shí)間有效打擊敵方目標(biāo)。故火炮最大調(diào)炮速度測試[4]的具體方法為：

將車輛停放在平坦開闊場地上，外接地面電源，保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)供電，保證車內(nèi)車外無影響火炮轉(zhuǎn)動(dòng)的干涉物；

在距離火炮炮口1.5 m處放置測試靶，在測試靶板上做特殊標(biāo)記(網(wǎng)格及數(shù)字標(biāo)記)；

在炮口處安裝靜態(tài)參數(shù)光學(xué)測量頭，同時(shí)加電，做好記錄準(zhǔn)備。

3.1 測試方法

1) 在靶板上做十字標(biāo)記，將測試靶放置于炮口1.5 m處，調(diào)整炮軸指向，使靶板十字位于CCD的中心位置；

2) 扳動(dòng)操縱臺(tái)，使火炮以最大速度水平向測量范圍為θx，垂直向測試范圍為θy進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)開始記錄圖像，停止扳動(dòng)時(shí)停止記錄，每個(gè)方向上各測3次。

3) 水平向左、右各測3次，垂直向上、向下各測3次，各方向取平均值作為火炮最大調(diào)炮速度實(shí)測值。

3.2 數(shù)據(jù)處理及評(píng)定

圖像處理[5-6]：由于錄取的每幅圖像都融合了GPS時(shí)間信息，在處理過程中可以通過識(shí)別圖像時(shí)統(tǒng)條碼獲取每幀圖像的精確時(shí)間。首幀圖像和尾幀圖像的時(shí)間差即為火炮最大調(diào)炮時(shí)間t，同時(shí)可以識(shí)別調(diào)炮的起點(diǎn)和終點(diǎn)視場十字中心在圖像中的位置(水平H1、H2，垂直V1、V2)，可以精確地計(jì)算出最大調(diào)炮速度[7]。

1) 火炮水平方向最大調(diào)炮速度計(jì)算

ω1max=θx/tx

(1)

式中：ω1max為水平向最大調(diào)炮速度，單位：(°)/s；θx為炮塔水平向轉(zhuǎn)過的角度360°；tx為水平向通過時(shí)間。

2) 火炮垂直方向最大調(diào)炮速度計(jì)算

ω2max=θy/ty

(2)

式中：ω2max為垂直向最大調(diào)炮速度，單位：(°)/s；θy為炮塔垂直向轉(zhuǎn)過的角度360°；ty為垂直向通過時(shí)間?？蓳?jù)其計(jì)算出火炮最大調(diào)炮速度的誤差值[8]及最大調(diào)炮速度引起的炮軸指向誤差。

4 精度分析

光學(xué)系統(tǒng)艾利斑直徑小于CCD像素尺寸：

50=5.5 μm

(3)

CCD隔行掃描的判讀精度為

(4)

(5)

將測試靶安放在1.5 m處，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)靶板上的距離為

水平向距離：

(6)

垂直向距離：

(7)

判讀精度可達(dá)到0.3 mm。

5 軟件流程及界面

根據(jù)對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件了解和對(duì)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算模型及其算法的分析，設(shè)計(jì)了包括系統(tǒng)設(shè)置與管理、試驗(yàn)測試操作、試驗(yàn)過程控制、圖像信息處理、數(shù)據(jù)分析處理等功能模塊的系統(tǒng)軟件，軟件平臺(tái)框圖如圖5所示。操作系統(tǒng)采用圖形用戶界面，其視覺效果良好，操作系統(tǒng)主界面如圖6所示。

圖5 軟件平臺(tái)框圖Fig.5 Software platform figure

圖6 操作系統(tǒng)主界面Fig.6 Main interface of operating system

6 結(jié)論

在深入研究火炮靜態(tài)參數(shù)測試?yán)碚摰幕A(chǔ)上，對(duì)火炮靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)研究。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求選取了符合系統(tǒng)使用要求的CCD相機(jī)，設(shè)計(jì)出滿足成像要求的光學(xué)系統(tǒng)。該檢測裝置除了作為火控靜態(tài)性能測試設(shè)備外，稍作改進(jìn)還可用在海軍艦炮、陸軍高炮、空間激光通信等動(dòng)基座上滿足動(dòng)態(tài)工作需求的儀器設(shè)備中。

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