韓寶章，李亦軍

(中北大學 理學院，山西 太原 030051)

激光微角偏移測試系統(tǒng)研究

韓寶章，李亦軍*

(中北大學 理學院，山西 太原 030051)

針對火炮出廠前的校瞄工作存在自動化程度不高、測試結(jié)果分辨率和精度低的缺點，設(shè)計了一種新型激光微角偏移測試校瞄系統(tǒng)。該系統(tǒng)由位置靈敏探測器(PSD)、準直平行激光管與二維精密旋轉(zhuǎn)控制器構(gòu)成。采用光電轉(zhuǎn)換和信號處理技術(shù)，可實時獲取火炮身管軸線的微角偏移量；利用相對簡單的方法完成了高精度的測試，有效地改善了傳統(tǒng)校瞄方法的不足。實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在炮管仰角0°～70°范圍內(nèi)全程測試微角偏移量，其分辨率可達到0.001°，可廣泛應(yīng)用于不同口徑火炮身管軸線的校瞄工作中。

校瞄；微角偏移；激光；位置靈敏探測器(PSD)

1 引 言

火炮的火力性能主要體現(xiàn)在精度和火力兩個方面[1]。射擊精度是火炮火控系統(tǒng)[2]的重點研究對象和重要保障，而火炮校瞄是火炮裝配過程中最為關(guān)鍵的一道工序。目前普遍采用的校瞄方法是：將現(xiàn)有炮口瞄準儀(即米哈儀)[3]裝在炮口，測試人員需站在升降梯上，以便隨著火炮身管軸線仰角的變化進行觀察，確定火炮身管軸線的微角偏移量以及車內(nèi)瞄準儀的偏差。這種方法存在很多缺陷，首先，炮口瞄準儀本身的測試精度和分辨率低，最小讀數(shù)1密位，反映不出微小變化，不能夠很好的達到校瞄目的；其次，校瞄過程中需要多次反復的調(diào)試和觀察，升降梯的反復升降和人工讀數(shù)影響了校瞄過程的效率。因此，目前急需一種高精度高效率的系統(tǒng)來進行火炮身管軸線的校瞄工作。針對上述情況，本文設(shè)計了一種激光微角偏移測試系統(tǒng)，利用準直平行激光[4]作為光源，重點應(yīng)用二維精密旋轉(zhuǎn)臺及控制器[5]和位置探測器(一維PSD)組成的測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對火炮身管軸線高精度、高分辨率、高效率的校瞄工作。

2 測試系統(tǒng)構(gòu)造及原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)造[6]

激光微角偏移測試系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。本系統(tǒng)主要構(gòu)成：(1)由位置探測器(一維PSD)[7]及其信號處理電路和指示燈組成的激光檢測板，當激光光斑落在PSD中心[8-9]原點時，指示燈會亮起，其中位置探測器選用用于精密位置測量的S3270型PSD，主要參數(shù)：感光面積1×37 mm、上升時間1 μs；(2)二維精密電動旋轉(zhuǎn)臺及控制器，控制器可在遠端有線控制旋轉(zhuǎn)臺在XOZ平面內(nèi)繞Y軸線360°旋轉(zhuǎn)，在XOZ平面內(nèi)繞Z軸線±10°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其在兩個方向轉(zhuǎn)過的角度可以分別讀取，測量分辨率0.001°；(3)激光光源選用了激光光斑光強、激光光斑尺寸最優(yōu)的準直平行激光管，其與二維精密旋轉(zhuǎn)臺組成激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)；(4)計算機、信號處理電路等外圍設(shè)備。

圖1 測試系統(tǒng)構(gòu)造Fig.1 Measurement system structure

2.2 測試原理

火炮身管軸線的“微角偏移”是指炮身軸線在調(diào)整發(fā)射角度時，在水平方向產(chǎn)生的偏離原發(fā)射面的現(xiàn)象。圖1為火炮炮膛在豎直方向上升一定角度時的示意圖，A為炮膛初始位置，B為炮膛在仰角θ狀態(tài)下的理想位置，C為炮膛在仰角θ時的實際位置。炮膛在豎直方向調(diào)整射角過程中，火炮身管軸線應(yīng)始終位于XOZ平面內(nèi)。但是由于裝配工藝等原因，火炮身管軸線往往會在垂直調(diào)整射角過程中出現(xiàn)水平方向上的微角度偏移。為了更加直觀的體現(xiàn)微角偏移的產(chǎn)生過程，給出測試原理的全視圖和俯視圖，如圖2中(a)、(b)。

圖2 (a)測試系統(tǒng)全視圖,(b)測試系統(tǒng)俯視圖Fig.2 (a)Full view and (b)top view of the measurement system

炮膛仰角為θ時，控制激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將激光在Z方向上調(diào)整到與初始位置同一水平線，如圖2所示，光斑發(fā)生水平偏移時，通過控制器調(diào)整激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在Y方向旋轉(zhuǎn)，使激光光斑落在PSD中心位置[10-12]，此時指示燈亮起，如圖2(b)所示，控制器自動記錄此時二維控制器橫向所轉(zhuǎn)動的角度，即圖2中的α，即為炮膛在仰角為θ時的微角偏移量，β為炮膛仰角θ時火炮身管軸線理想位置與實際位置的偏差角。

根據(jù)圖2(a)中α、β的幾何關(guān)系可知它們的關(guān)系式為:

式中，S為火炮身管底端O點到PSD中心位置E點的距離如圖2(b)，L為火炮身管長度如圖1。從式(1)可以看出，當炮膛仰角θ為定值時，可以通過微角偏移量α的大小求得軸線偏差角β，為下一步校瞄工作提供了理論基礎(chǔ)。

3 測試過程及結(jié)果

3.1 測試過程

準備工作：①將火炮水平置于的場地中，并調(diào)節(jié)炮膛角度歸零；②將激光二維旋轉(zhuǎn)裝置固定于炮管發(fā)射口，并保證水平儀內(nèi)水泡處于中心位置；③將附有指示燈的PSD檢測板置于火炮正前方100 m處，利用水平儀保證其水平狀態(tài)，調(diào)整檢測板，使激光落在PSD中心處，此時檢測板上指示燈亮起；④在檢測板上標出此時激光光斑所在位置的水平線，準備工作結(jié)束。

圖2為引發(fā)劑用量對分子量的影響,電化學聚合制備條件為乳化劑2 g,反應(yīng)溫度30°C,反應(yīng)時間8 h,電流0.3 A,引發(fā)劑用量變化范圍從2～5 g.由圖可見,隨著引發(fā)劑用量的不斷增加,聚合物的分子量逐漸減小,這是因為引發(fā)劑用量越多,平均每種引發(fā)劑可能消耗的單體數(shù)就越少,從而使分子量變小.

測試步驟：(1)賦予炮膛12°的仰角值，在炮膛仰起后縱向調(diào)節(jié)激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使激光俯射至檢測板所標注的水平線上；(2)橫向調(diào)節(jié)激光二維旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將激光光斑調(diào)整至PSD中心位置，此時指示燈亮起，控制器自動記錄此時二維控制器橫向所轉(zhuǎn)動的角度，即為炮膛在仰角為12°的微角偏移量；(3)上行程依次測量賦予炮膛仰角為24°、36°、48°、60°、69°時，在該角度下的微角偏移量；(4)炮膛仰角為69°時的微角偏移量測完后，將炮膛調(diào)整到仰角為70°位置，再下行程依次測量賦予炮膛仰角為69°、60°、48°、36°、24°、12°時，在該角度下的微角偏移量；(5)多次重復測試過程，記錄多組數(shù)據(jù)求平均值，以減少偶然誤差對測試結(jié)果的影響。

在測試過程中我們發(fā)現(xiàn)，100 m距離下觀察激光光斑在檢測靶上的實時位置較為困難，為了提高系統(tǒng)測試效率，我們計劃在系統(tǒng)中加入無線視頻傳輸裝置，即在檢測靶處增設(shè)攝像機，在火炮處增設(shè)顯示屏，顯示屏可以顯示出攝像機拍攝到的激光光斑在檢測靶的實時影像。無線視頻傳輸裝置目前正在調(diào)試當中。

3.2 信號處理

當PSD接收面接收到激光光斑時，其各個電極會有大小不同、且與激光入射位置有關(guān)的光電流輸出。光電流經(jīng)信號處理電路處理后，會轉(zhuǎn)換為電壓輸出，將電信號處理后，確定激光光斑位置信息，在光斑中心落在PSD中心位置時，驅(qū)動信號燈發(fā)光(圖3)。

PSD輸出的是很微弱的電流信號，不能進行直接的檢測,需要將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，同時進行放大，這樣就可以方便后面進行進一步的信號處理。PSD的輸出可以看做一個電流源，當其負載阻抗是零時，它的輸出特性最優(yōu)。而理想的運放正、負輸入端恰好有“虛短”(即兩輸入端之間電壓差為零)的特性,所以采用運放組成電流/電壓轉(zhuǎn)換電路(圖4)來進行PSD光生電流的檢測。

圖3 信號處理流程圖Fig.3 Flow diagram of signal processing

圖4 電流電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Current voltage conversion circuit

PSD的結(jié)構(gòu)以及工作原理使它在正常工作狀態(tài)下會產(chǎn)生暗電流，暗電流經(jīng)過放大后會影響對PSD的定位準確程度。因為背景光和暗電流產(chǎn)生的干擾電壓可看做是直流電平，所以能夠采用采樣-保持電路[13]來進行干擾的消除，提高測試系統(tǒng)激光對中精度。

3.3 測試結(jié)果

本系統(tǒng)在現(xiàn)場對火炮進行測試，在炮膛調(diào)整到水平位置后開始，上下行程依次測量讀取炮膛不同仰角狀態(tài)下的微角偏移量并記錄數(shù)據(jù)。表1給出了分別應(yīng)用激光微角偏移測試系統(tǒng)和米哈儀多次測試微角偏移結(jié)果的平均值(密位換算為(°))對比(其它條件均不變的情況下)。

表1 微角偏移測試系統(tǒng)與炮口瞄準儀結(jié)果對比

通過分析表1中激光微角偏移測試系統(tǒng)和米哈儀微角偏移實測數(shù)據(jù)(正、負表示偏移方向)，得到如下結(jié)論：(1)當炮膛仰角為12°、24°、36°等較小仰角時，米哈儀在上行程測量中得到的微角偏移都為0，而本文中的激光微角偏移系統(tǒng)在上行程測量過程中測得的微角偏移分別為0.003°、0.010°、0.021°等非常精確的數(shù)據(jù)。據(jù)此可得，在俯仰角小的時候，米哈儀不能夠完全測出偏移微角，而本系統(tǒng)可以較為精確的測出上下行程的偏移微角；(2)激光微角偏移測試系統(tǒng)測試火炮炮膛的微角偏移量可以精確到0.001°，而米哈儀只到0.1密位=0.006°(1密位=0.06°)，所以本文中激光微角偏移測試系統(tǒng)相比于米哈儀在精度、分辨率上均有顯著提高。

3.4 校瞄分析

通過上述分析，要想使得炮彈能夠更加精確的擊中目標，就必須對系統(tǒng)進行校瞄分析。由式(1)可知，在某一確定的仰角θ下，只需測得微角偏移量α即可求得軸線偏差角β，從而通過對β的校準即可實現(xiàn)對目標的精確打擊。在仰角θ=[0°～80°]范圍內(nèi)，炮管長取L=5 m，其軸線偏差角β隨微角偏移量α的變化關(guān)系為圖5(a)。

從圖5(a)看出，軸線偏差角β隨微角偏移量α的增大而增大，且隨仰角θ的增大，β的大小與α的大小接近相等。所以，根據(jù)測得的微角偏移量α來測得軸線偏差角β，進而對炮膛在水平方向的偏移量進行校正。圖5(b)為表1中本系統(tǒng)在6組不同的炮管角度θ下，根據(jù)上下行程所測得的微角偏移量α的值(為了計算方便，在每一仰角下取上下行程微角偏移量α值的平均值)根據(jù)式(1)所求的軸線偏差角β的值。經(jīng)查閱可知，炮膛在仰角45°左右時，火炮射程最遠約為50 00 m，取表1炮管仰角θ=48°，此時，所測得的軸線偏差角β=0.035°，如圖5(b)。如果不對炮管偏移進行校準，根據(jù)圖2(a)的幾何關(guān)系，此時炮彈在水平方向?qū)⑵x中心目標約為50 000×tanβ≈30.5 m，所以在實際操作當中，火炮出廠前的校瞄工作至關(guān)重要。

圖5 微角偏移量α與軸線偏差角β關(guān)系Fig.5 Relationship between α and β

4 誤差分析

從表1激光測試微角數(shù)據(jù)可以看出，本測試方法在上下行程對偏移微角的測試中具有較高的穩(wěn)定一致性，為了更明顯的比較出兩種測試方法的穩(wěn)定性差異，分別對兩種測試方法的不確定度[14]進行分析，根據(jù)不確定度計算公式：

其中，上下行程測量結(jié)果的標準偏差估計值s和儀器的B類不確定度分量u:

u=Δ儀

式(3)中,Δxi為上下行程偏移微角測量值的殘差，式(4)中Δ儀為測量儀器的精度(本系統(tǒng)為0.001°，米哈儀為0.006°)，根據(jù)表1數(shù)據(jù)和式(2)～(4)求得在上下行程12°～69°的俯仰角范圍內(nèi)分別計算得出兩種測試方法的不確定度，結(jié)果如表2。

表2 微角偏移測試系統(tǒng)與炮口瞄準儀結(jié)果不確定度對比

表2計算結(jié)果表明，激光微角偏移測試結(jié)果不確定度比米哈儀微角偏移測試結(jié)果不確定度小一個數(shù)量級，充分說明激光微角偏移測試系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和一致性。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)場測試中。

由于在測試過程中，系統(tǒng)微角偏移量測試結(jié)果的精確度會受到人為操作、激光的不穩(wěn)定性[15]等難以抗拒的因素的影響，只能通過多次測試求平均值，最大程度降低這些隨機誤差[16]。

5 結(jié) 論

本文針對項目要求綜合運用了半導體光電探測器件等成熟技術(shù)，實現(xiàn)了快速、精準地完成對火炮炮膛出廠前的校瞄工作。相比于傳統(tǒng)校瞄方法，在自動化程度與校瞄精度上都有顯著提高。結(jié)果表明此系統(tǒng)可在炮管仰角0°～70°范圍內(nèi)將火炮炮膛的校瞄分辨率達到0.001°，可應(yīng)用于不同口徑火炮炮膛出廠前的校瞄工作中。

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Laser micro angular deviation measurement system

HAN Bao-zhang, LI Yi-jun*

(CollegeofScience,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

*Correspondingauthor,E-mail:liyijun@nuc.edu.cn

There are some shortcomings in aiming correction before the artillery leaves the factory, just like the low degree of automation, the low resolution and accuracy. Aiming at these problems, we design a novel laser micro angular deviation measurement and proofread aiming system. The system consists of position sensitive detector(PSD), collimating parallel laser tube and two-dimensional precision spin controller, and the micro angle offset of artillery bore can be acquired in real-time using the photoelectric conversion and signal processing technology. The traditional proofread aiming method can be improved effectively using relatively simple means to complete the high precision measurement. Experimental test results show that the system can detect the micro angle deviation with the barrel elevation range of 0°～70° in the whole course, and its resolution can reach 0.001°. It can be widely used to proofread aiming with different caliber artillery bore.

proofread aiming;micro angular deviation;laser;position sensitive detector(PSD)

2016-10-20；

2016-12-07

國家自然科學基金資助項目(No.61127015) Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61127015)

2095-1531(2017)02-0234-07

TJ306

A

10.3788/CO.20171002.0234

韓寶章(1991—)，男，山西盂縣人，碩士研究生，主要從事光學理論、光電測試技術(shù)方面的研究。E-mail：hbz7051@sina.com

李亦軍(1967—)，男，河北陽原人，博士，教授，主要從事光學系統(tǒng)設(shè)計及測試方面的研究。E-mail：liyijun@nuc.edu.cn