李勤學，何玉蘭，王 濤，柴繼河，閆 麗，陳秀萍，強 華，張 瑩

（西安應(yīng)用光學研究所 ，陜西 西安710065）

引言

在自行高炮武器系統(tǒng)中，火炮伺服系統(tǒng)是重要功能單元，它接受火控系統(tǒng)指令使火炮完成調(diào)轉(zhuǎn)、跟蹤、提前等運動［1］。其可靠性隨著技術(shù)的進步不斷提高，但由于系統(tǒng)復雜及作戰(zhàn)受損，故障發(fā)生的可能性不容忽視。為使火炮伺服系統(tǒng)發(fā)生故障后，武器系統(tǒng)仍具有一定戰(zhàn)斗力，許多自行高炮設(shè)置應(yīng)急手段，在火炮伺服系統(tǒng)發(fā)生故障后以應(yīng)急方式工作［2－3］，使火炮完成調(diào)轉(zhuǎn)、跟蹤、提前等運動。采用光環(huán)瞄準鏡觀察、搜索，手動使瞄準線與火炮完成調(diào)轉(zhuǎn)、跟蹤、提前，這是主要應(yīng)急手段之一。但這種手段存在反應(yīng)速度慢、對準精度低、到達提前位置誤差大的問題。動態(tài)觀瞄裝置產(chǎn)生含有光標的視頻信號，通過實時接收目標或火炮提前量數(shù)據(jù)，解算并控制視頻信號中光標動態(tài)位置。該視頻信號經(jīng)微顯示器顯示并被投影到瞄準鏡分劃面上［4－5］，使動態(tài)光標出現(xiàn)在瞄準鏡視場中，應(yīng)急工作時引導炮長以手動方式使瞄準線及火炮快速調(diào)轉(zhuǎn)、跟蹤、快速到達提前位置。從而減輕操作難度、提高調(diào)轉(zhuǎn)速度，利于抓住戰(zhàn)機，提高命中概率。

1 光環(huán)瞄準鏡工作方式及原理

采用光環(huán)瞄準鏡為應(yīng)急手段的自行高炮按伺服系統(tǒng)狀況有兩種工作方式：

1）自動方式（主要方式，火炮伺服系統(tǒng)正常工作方式）。以雷達或光電系統(tǒng)搜索、捕獲、跟蹤目標［6－7］，目標信息經(jīng)火控計算機處理發(fā)往火炮伺服系統(tǒng)，驅(qū)動火炮調(diào)轉(zhuǎn)并跟蹤目標［8］，目標進入射程后，火控計算機解算提前量，驅(qū)動火炮到達提前位置后射擊。

2）手動方式（應(yīng)急方式，火炮伺服系統(tǒng)發(fā)生故障后工作方式）。雷達或光電系統(tǒng)搜索、捕獲、跟蹤目標，炮長間接接收雷達或光電系統(tǒng)指示，通過光環(huán)瞄準鏡觀察、搜索，以手動方式調(diào)轉(zhuǎn)火炮、跟蹤目標。目標進入射程后，目測其方向、速度、距離，估算提前量［9］，手動使火炮到達射擊提前位置后射擊［10－11］。

圖1是光環(huán)瞄準鏡光學原理圖。其光學系統(tǒng)由保護窗1（采用冕玻璃）、端部棱鏡2（采用重火石玻璃）、物鏡組3（采用冕玻璃、火石玻璃）、五棱鏡4（采用冕玻璃）、分劃板5（采用冕玻璃）、目鏡6（采用冕玻璃、火石玻璃）組成［12］。光環(huán)瞄準鏡安裝在炮塔上，其瞄準線方位隨鏡體及炮塔運動，俯仰由端部棱鏡驅(qū)動隨火炮身管同步運動。因瞄準線始終平行火炮射線，因而這種光環(huán)瞄準鏡屬于非獨立瞄準線瞄準鏡。

圖1 光環(huán)瞄準鏡光學原理圖Fig.1 Optical schematic diagram of optical ring sight lens

圖2 是光環(huán)瞄準鏡分劃板原理。光環(huán)瞄準鏡分劃面刻制若干同心環(huán)，稱為“光環(huán)”，其半徑由目標典型速度、典型距離、彈丸飛行時間及物鏡組焦距計算，標識瞄準線典型提前角。光環(huán)中心為瞄準線零位，對目標跟蹤好時與目標重合。應(yīng)急工作時，炮長目測目標速度、距離后選擇相應(yīng)光環(huán)，并選擇其與目標運動方向相反、與所需提前位置（圖2＊號位置）對稱的部位對準目標，使瞄準線和火炮到達提前位置，如圖3所示。

這種光環(huán)瞄準鏡具有與火炮射線同軸、視場大、分辨率高、可靠性好、使用方便、抗電磁干擾等特點。許多自行高炮除配裝雷達或獨立瞄準線光電系統(tǒng)外，仍然配置光環(huán)瞄準鏡進行觀瞄、搜索，應(yīng)急工作時帶動火炮捕獲、跟蹤目標，擊毀目標。

圖2 光環(huán)瞄準鏡分劃板原理Fig.2 View of reticle surface of ring sight lens

圖3 光環(huán)瞄準鏡瞄準線到達提前位置Fig.3 View of reticle surface while LOS in lead position

然而這種瞄準鏡在應(yīng)急工作時存在以下不足：

1）不易利用火控系統(tǒng)給出的提前量。僅依靠目測目標方向、速度和距離概估提前量，選擇光環(huán)及光環(huán)部位對準目標，使瞄準線和火炮到達提前位置。

2）代表典型目標速度和距離的光環(huán)數(shù)量有限，光環(huán)參數(shù)與目標實際速度及距離有差距，所選光環(huán)部位與目標方向有誤差，因而使瞄準線和火炮到達提前位置的誤差大，導致命中概率低［13］。

3）炮長依靠目測進行判斷并手動操作，腦力和體力工作強度大、熟練程度要求高，使瞄準線和火炮到達提前位置速度慢、誤差大，設(shè)計命中概率不高，且易喪失戰(zhàn)機。

2 動態(tài)觀瞄裝置原理

2.1 動態(tài)觀瞄裝置組成及原理

針對以上問題，我們?yōu)榕陂L瞄準鏡設(shè)計了一種以動態(tài)光標指示目標方向及提前量的裝置，應(yīng)急工作時可使目標快速進入視場，使瞄準線和火炮快速、準確到達射擊提前位置。

組合在炮長瞄準鏡中的動態(tài)觀瞄裝置如圖4所示，包括動態(tài)光標電路板7、微顯示器8、投影光學系統(tǒng)9（采用鑭冕玻璃、鑭火石玻璃）、分光棱鏡10（采用冕玻璃）和警示燈11。

該瞄準鏡觀瞄光學系統(tǒng)與傳統(tǒng)光環(huán)瞄準鏡類似，包括保護窗1、端部棱鏡2、物鏡組3、五棱鏡4、分劃板5和目鏡6，目標經(jīng)觀瞄光學系統(tǒng)成像在分劃板上。投影系統(tǒng)將顯示器圖像經(jīng)分光棱鏡也放大到分劃板上。觀瞄系統(tǒng)光路和投影系統(tǒng)光路通過分光棱鏡后匯合，其像面在分劃面重合，經(jīng)目鏡供炮長觀察。

動態(tài)光標電路板集成了通訊電路、光標位置電路、光標生成電路、視頻信號發(fā)生電路和視頻混合電路。

圖4 含動態(tài)觀瞄裝置的瞄準鏡光學原理圖Fig.4 Optical schematic diagram of sight lens with dynamic cursor

動態(tài)觀瞄裝置工作原理如圖5所示。

圖5 動態(tài)觀瞄裝置工作原理圖Fig.5 Operating schematic diagram of dynamic cursor

通信電路接收火控計算機發(fā)送的目標及提前量數(shù)據(jù)送入光標位置電路；光標位置電路內(nèi)置坐標解算軟件，接收數(shù)據(jù)后實時解算光標位置坐標，產(chǎn)生光標位置信號；光標生成電路產(chǎn)生TTL光標信號；視頻信號發(fā)生電路產(chǎn)生低電平視頻信號。光標位置信號、TTL光標信號和低電平視頻信號同時送入視頻混合電路，視頻混合電路根據(jù)光標位置信號將光標TTL信號鑲嵌在低電平視頻信號的相應(yīng)座標點，即由光標形狀尺寸和動態(tài)位置所要求的座標點選擇TTL信號，其他座標點選擇低電平視頻信號，形成含有動態(tài)電子光標的混合視頻信號并輸出到微顯示器，投影系統(tǒng)將顯示器圖像放大到分劃面上。

2.2 動態(tài)光標位置解算

動態(tài)光標位置電路解算和控制方式如下：

1）接收通信電路送入的目標及提前量數(shù)據(jù)；

2）接收數(shù)據(jù)為目標坐標時，控制警示燈熄滅；

3）判斷目標坐標絕對值是否大于視頻圖像同向邊緣坐標的絕對值，并確定光標橫、縱坐標的取值，即：

4）接收的數(shù)據(jù)為提前量坐標時，控制警示燈點亮，并令：

式中：XT、YT為目標橫、縱坐標值；XC、YC為光標橫、縱坐標值；XM、YM為視頻圖像與目標同向邊緣橫、縱坐標值；XA、YA為提前量數(shù)據(jù)橫、縱坐標值。

光標位置解算軟件工作流程如圖6所示。

圖6 光標位置解算軟件工作流程圖Fig.6 Flow chart of software to calculate position of dynamic cursor

3 動態(tài)觀瞄裝置工作方式

火炮伺服系統(tǒng)發(fā)生故障，自行高炮以應(yīng)急方式工作時，炮長瞄準鏡動態(tài)觀瞄裝置接收并解算火控計算機發(fā)送的目標信息或提前量數(shù)據(jù)，產(chǎn)生含有動態(tài)光標的混合視頻信號，微顯示器將此視頻信號轉(zhuǎn)換為可視圖像。投影光學系統(tǒng)將圖像投影到分劃面上，投影圖像中心與分劃面原點重合，同為瞄準線零位。

目標未進入視場時，火控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)為目標角座標，光標受此數(shù)據(jù)控制持續(xù)停留在目標同向視場邊緣（見圖7），引導炮長以手動方式調(diào)轉(zhuǎn)瞄準線和火炮，使目標進入視場。

圖7 光標持續(xù)停留在目標同向視場邊緣Fig.7 Cursor staying in codirection FOV edge of object

目標進入視場后，光標采用目標角座標數(shù)據(jù)，動態(tài)光標與動態(tài)目標重合，炮長手動調(diào)炮使瞄準線對準重合的目標和光標，并保持跟蹤（見圖8）。

圖8 瞄準線對準重合的目標和光標Fig.8 LOS aiming at superposed object and cursor

目標進入射程后，火控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)為提前量數(shù)據(jù)，分劃板下方警示燈（圖4、圖7～圖10）點亮，提示炮長立即執(zhí)行進入提前量位置的操作，此時光標反向指示瞄準線和火炮應(yīng)到達的提前量位置，即光標位置與提前量位置對稱，對稱軸過瞄準線零位且垂直于目標運動方向（見圖9）。炮長手動調(diào)炮使光標對準目標，即可使瞄準線和火炮到達射擊提前位置（見圖10）。此時的主要觀瞄誤差為光標對準目標的對準誤差。

圖9 對稱軸過瞄準線零位且垂直于目標運動方向Fig.9 Symmetry axis passing LOS zero position while perpendicular to object moving direction

圖10 瞄準線及火炮到達射擊提前位置Fig.10 LOS and artillery arriving at shooting lead position

4 結(jié)論

與以往使用傳統(tǒng)光環(huán)瞄準鏡應(yīng)急工作，利用間接信息將目標導入視場的方式相比，動態(tài)觀瞄裝置可迅速、準確引導目標進入視場；與使用傳統(tǒng)光環(huán)瞄準鏡光環(huán)對準目標使火炮到達提前位置的方式相比，動態(tài)觀瞄裝置以精度高、實時性強的動態(tài)光標指示提前量，可使瞄準線和火炮快速、準確到達射擊提前位置，減輕了操作者的工作強度和精神壓力，可解決反應(yīng)速度慢、對準精度低、提前量誤差大的問題，使武器系統(tǒng)易于抓住戰(zhàn)機，提高命中概率。

含動態(tài)觀瞄裝置的瞄準鏡安裝在某型自行高炮上對空中機動目標進行試驗，縮短了手動引導目標進入視場的時間，顯著提高了瞄準線和火炮到達射擊提前角的精度，實現(xiàn)了預定功能，達到了預定效果。

［1］ Wang Xingmin，Duan Xia.Fire servo system development trend［J］.Mechanicai Management And Development，2011（6）：75-78.王星民，段霞.火炮伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢［J］.機械管理開發(fā)，2011（6）：75-78.

［2］ Liu Rui，Zhang Jiao，Sheng Andong.Analysis on the hit probabilities of antiaircraft emergency shooting for three methods of firing equation solution［J］.Fire Control ＆ Command Control，2011，36（3）：52-56.劉銳，張蛟，盛安冬.高炮應(yīng)急方式下三種諸元求解方法的命中概率［J］.火力與指揮控制，2011，36（3）：52-56.

［3］ Liu Rui，Li Yinya，Sheng Andong.A new method for solving the fire equation in emergencyshooting of antiaircraft guns［J］.Electronics Optic ＆ Command Control，2009，16（10）：26-30.劉銳，李銀伢，盛安冬.高炮應(yīng)急射擊時一種新的火控諸元求解方法［J］.電光與控制，2009，16（10）：25-30.

［4］ Chen Jingdong，Liu Jie.The OLED manifestation technique and its military apply ［J］.Ship Electronic Engineering，2003，23（5）：23-27.陳敬東，劉杰.OLED顯示技術(shù)及其軍事應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2003，23（5）：23-27.

［5］ Wang Yunjing，F(xiàn)ang Yongjun.Principle and application of display elements OLED［J］.Instrumentation Technology，2007（8）：32-34.王云景，方勇軍.OLED顯示器件的原理及應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)，2007（8）：32-34.

［6］ Huang Yong，Long Yunfu，Wang Jingbin，et al.Photoelectric fire-control system design for subcaliber antiaircraft gun［J］.Electronics Optic ＆ Command Control，2005，12（2）：61-64.黃勇，龍云富，王靜濱，等.光電火控系統(tǒng)在小口徑高炮中應(yīng)用的設(shè)計實現(xiàn)［J］.電光與控制，2005，12（2）：61-64.

［7］ Ning Dayong，Gao Yunguo.Method of high accuracy control for motor-based optoelectronic tracking equipment and simulation［J］.Opto-Electronic Engineering，2008，35（11）：8-12.寧大勇，高云國.車載光電跟蹤設(shè)備高精度控制方法及仿真［J］.光電工程，2008，35（11）：8-12.

［8］ Jiang Fazhong.Positioning-orientating and external target guidance of self-propelled antiaircraft gun［J］.Fire Control ＆ Command Control，1996，21（3）：36-42.姜法中.自行高炮定位定向及外部目標導引［J］.火力與指揮控制，1996，21（3）：36-42.

［9］ Jiang Tao，Yu Zhenglin，Su Chengzhi，et al.Simulation detection model of lead calculation of optoelectronic sight［J］.Acta Armamentarii，2007，28（9）：1144-1147.姜濤，于正林，蘇成志，等.光電瞄具提前量解算的仿真檢測模型［J］.兵工學報，2007，28（9）：1144-1147.

［10］Zhang Minghui，Zhang Yaoyu，Qiao Yanfeng.Study on vehicle twin-photoelectrical pointing system［J］.Opto-Electronic Engineering，2004，31（7）：18-20.張明慧，張堯禹，喬彥峰.車載雙聯(lián)光電瞄準系統(tǒng)的研究［J］.光電工程，2004，31（7）：18-20.

［11］Wang Tao，Zheng Yuanmo，Gao Lenan.All basic antiaircraft gun vane resolving shooting analysis［J］.Ship Electronic Engineering，2011，31（2）：46-49.王濤，鄭垣模，高樂南.高炮瞄準具解算射擊諸元分析［J］.艦船電子工程，2011，31（2）：46-49.

［12］Chen Qiang，Zhou Wenzhe，Ren Penghui，et al.Assembly and adjustment technology for tank gunner's primary sight optical system［J］.Journal of Applied Optics，2013，34（2）：235-238.陳強，周文喆，任鵬輝，等.某坦克炮長鏡光學系統(tǒng)裝調(diào)技術(shù)［J］.應(yīng)用光學，2013，34（2）：235-238.

［13］Wang Tao，Tang Yanhu，Yang Jian.Research on kill limits of antiaircraft artillery weapon［J］.Fire Control＆ Command Control，2010，35（6）：70-72.王濤，唐宴虎，楊健.高炮武器系統(tǒng)殺傷邊界研究［J］.火力與指揮控制，2010，35（6）：5-7.