反射式平行光管的紅外瞄具零位走動量測量方法研究

王勁松，安志勇，李海蘭

(1.長春理工大學 光電工程學院，吉林 長春130022;2.長春理工大學 計算機學院，吉林 長春130022)

紅外瞄準鏡和紅外熱像儀［1］(統稱紅外瞄具)的零位走動量［2］是指瞄具的瞄準基線由于物鏡、目鏡、分劃板、變像管和裝卡導軌等零部件的松動、變形和移位而發生了變化，外在的影響因素主要是運輸、射擊、環境變化等，其變化量通常用角度值(mil)表示。零位走動量是瞄具設計、加工、安裝的科學性合理性的考核參數之一［3］。因為瞄準基線直接和武器射擊精度相關，所以零位走動量直接關系到射擊精度的好壞，在紅外瞄具生產和試驗中，對瞄具零位走動量的檢測是十分重要的檢測項目，目前國內外普遍采用反射式平行光管［4］結合測角裝置進行檢測，受光管視場的限制很難實現大視場測量。

1 零位走動量含義及測量基本原理

1.1 零位走動量含義

瞄準基線是指瞄具物鏡中心與分劃板中心的連線。由概念可知，零位走動量實質上是瞄準基線的位置變化。如圖1為瞄具調校后的狀態，Lo、Le、R1分別為瞄具的物鏡、目鏡和分劃板，此狀態下可認為瞄準基線OO1與瞄具的光軸O1O2重合，且光軸相對理論瞄準基線ll'無偏離。當運輸、攜行、射擊或環境溫度變化時，導致瞄具物鏡、目鏡、分劃板、變像管和裝卡導軌等零部件的松動、變形和移位，從而使瞄準基線和光軸發生了位置相對變化，如圖2所示。瞄具光軸O1O2相對理論瞄準基線ll'偏轉α 角，實際瞄準基線OO1與光軸偏轉β 角，由圖1和圖2的對應關系可見，實際瞄準基線相對理論瞄準基線偏轉了θ=α+β，此角即為零位走動量。

圖1 瞄具理想工作狀態Fig.1 Ideal working state of aiming sight

圖2 瞄準基線變化示意圖Fig.2 Sketch of aiming baseline change

1.2 測量基本原理

由零位走動量的含義可知，要想測量瞄具的零位走動量必須建立一個無窮遠的基準目標，通常采用平行光管來模擬。如圖3所示，Lc、Rc分別為平行光管的物鏡和分劃板，平行光管分劃板中心F'c在瞄具分劃板上的像為A 點，而瞄具分劃板中心O 對應的物空間點(即瞄準點)在平行光管分劃板上的O'，平行光管的光軸F'cOc即是測量的基準軸ll'.由圖中幾何關系可得

當θ 很小時，可認為

式中:F'cO'為紅外平行光管分劃中心在瞄具分劃板上的像與瞄具分劃中心的偏離量所對應的物空間平行光管分劃板上的偏離量;f'c為紅外平行光管焦距。由以上分析可知，瞄具零位走動量θ 可直接測量也可間接測量。由圖3可知，如果平行光管出射的平行光相對瞄具的瞄準基線逆時針旋轉θ 角，則光管分劃板中心在瞄具分劃板上的像A 點會與瞄具分劃板中心O 點重合，而旋轉的角度θ 可以通過角度讀數機構直接讀出，這就是直接測量的理論依據。

圖3 零位走動量測量原理Fig.3 Measurement principle of sight line alteration

實際上對于轉動反射式平行光管的方法［5］是不可取的，因為轉動光管會使測量的基準因運動而產生變化，影響測量精度，另外從工程角度也因光管的體積和質量問題不易實現。針對此問題可在光管的出射光路中加入一個可調整角度的平面反射鏡加以解決，如圖4所示。若要令光管分劃中心F'c與瞄具在光管分劃板上的瞄準點重合，保持光管和瞄具不動，只要平面反射鏡Rp旋轉θ/2 角即可。

圖4 利用平面反射鏡讀數原理Fig.4 Principle of data reading via reflector

2 基于反射式平行光管的直接測量系統

圖5為反射式平行光管直接測量紅外瞄具零位走動量的系統示意圖。黑體、靶標、平面鏡和拋物面反射鏡組成反牛頓式光學系統紅外平行光管，為測量提供無窮遠紅外靶標，紅外瞄準鏡通過平面反射鏡觀察無窮遠靶標。平面反射鏡安裝在具有360°方位和俯仰運動的電控二維精密調整臺上，調整臺的2 個轉軸均配有高精度絕對式軸角編碼器，在程控2 個轉軸轉動的同時，給出平面反射鏡的二維轉角值。被測瞄準鏡安裝在瞄具安裝座上，瞄具安裝座具有縱橫平移、升降、俯仰、方位五自由度的調整功能，用來實現瞄準鏡在測試過程中的姿態調整。

圖5 反射式平行光管測量系統簡圖Fig.5 System of reflection type collimator

測試時，調整安裝座使瞄具大致對準靶標，調節面黑體的溫度，確保紅外分劃清晰可見，控制電動二維精密調整臺，使瞄具分劃十字線與紅外平行光管的靶標分劃十字線對準，記下二維精密調整臺的2軸角度。取下紅外瞄準鏡去進行射擊、沖擊振動、高低溫試驗等;試驗后，將紅外瞄準鏡重新安裝在瞄具安裝座上，觀察靶標成像變化情況，并程控調整安放平面反射鏡的二維精密調整臺，使紅外瞄準鏡分劃十字線與紅外平行光管的靶標分劃十字線再次重合，記下此時二維精密調整臺的兩軸角度值，根據二維精密調整臺前后2 次的姿態變化，經代數相減乘以2 即得到被測紅外瞄準鏡的瞄準基線的變化量，也就是零位走動量。

3 測試誤差估算

影響測試精度的因素主要有測量時通過瞄具進行靶標對準的瞄準誤差、通過自動二維調整臺進行讀數的讀數誤差和紅外平行光管的自身誤差。

3.1 瞄具瞄準誤差σ1

瞄具的視放大率Г、對準誤差σ1、人眼對準誤差Pt的關系可表示為

式中:K1為置信系數;γ 為瞄準誤差增大系數，據經驗或實驗給出它的數值［6］。理想情況下人眼對準誤差，采用雙線夾單線瞄準時Pt=10″.如果一個瞄準鏡像元數388 ×284，像元大小35 μm，物鏡焦距f'w=75 mm，目鏡焦距f'm=20，視場10° ×75°，OLED顯示屏的尺寸1″(2.54 cm)，等效視場放大率Γd=2.8×，取γ =3，瞄準誤差為均勻分布［6］，置信系數(散布系數)，所以

3.2 讀數誤差σ2

1)二維調整臺誤差σ21

二維調整臺采用精確直流力矩電機伺服，蝸輪蝸桿轉動和軸角編碼器，并采用消側隙和空回機構，精度可達2″，對出射光則是4″，此誤差服從正態分布，則

2)示值誤差σ22

此誤差服從均勻分布，若絕對示值誤差δ =0.01 mil，則

通過以上分析，讀數綜合誤差

3.3 紅外平行光管誤差σ3

主要包括分劃制作誤差、調焦誤差、對準誤差和焦距誤差，后3 項通過光管的裝調校準可以忽略，主要影響是分劃制作誤差。通過精密機械加工可以保證分劃制作誤差為0.01 mm，平行光管設計焦距f' =800 mm，此誤差服從正態分布，所以K=3，由此引入的誤差所以光管誤差σ3=σ31=0.004 mil.

通過以上分析，總的測試誤差如下，能夠滿足當前紅外瞄具的測試要求。

4 標定實驗及結果

采用某型號紅外瞄具在實驗室中對θ=(120 ±4)″標準鍺玻璃光楔進行了精度標定驗證實驗，實驗示意圖如圖6所示，Rp為光管的平面反射鏡，光楔水平放置測量方位角，垂直放置測量高低角。調整RP，二維精密轉臺自動讀值，各取10 次測量結果，數據如表1所示。測量的均值大于標稱值是由于光楔安放誤差造成的，y 向測量結果大于x向也是由安放誤差造成的。2 個方向的σ 值均小于0.03 mil，與分析估算吻合。

圖6 光管標定示意圖Fig.6 Sketch of collimator calibration

表1 標定實驗數據Tab.1 Calibration data

5 結論

對紅外瞄具零位走動量測量原理進行了分析與闡述，并詳細闡述了一種新型反射式平行光管直接測量零位走動量的方法，對方法中存在的誤差因素進行了相應的分析估算，并進行了標定實驗。結果表明，該方法可達到幾秒的測量精度。研究的反射式平行光管測量瞄具零位走動量方法具有非接觸、測量速度快、精度高、測量范圍大、可實現多品種和多參數測量等優點，對瞄具的生產測試具有重要的現實意義。

References)

［1］陳呂吉，明景謙，馬琳，等.四片式非制冷長波紅外熱像儀雙視場光學系統［J］.紅外技術，2010，32(1):25 -28.CHEN Lv-ji，MING Jing-qian，MA lin，et al.A four-piece dual field of view optical system for LWIR thermal imager［J］.Infrared Technology，2010，32(1):25 -28.(in Chinese)

［2］高有堂，邱亞峰，田思，等.振動試驗條件下微光瞄準鏡零位移機理分析［J］.兵工學報，2008，29(9):1074 -1077.GAO You-tang，QIU Ya-feng，TIAN Si，et al.Mechanism analysis of zero displacement movement of LLL sight device based on vibration experimental condition［J］.Acta Armamentarii，2008，29(9):1074 -1077.(in Chinese)

［3］楊瑞寧，安志勇，曹維國，等.光學瞄具出瞳直徑、出瞳距離與放大率現代測試技術研究［J］.兵工學報，2009，38 (4):1142-1144.YANG Rui-ning，AN Zhi-yong，CAO Wei-guo，et al.Research on the modern testing system of exit pupil diameter，distance and magnification of optical sighting telescope［J］.Acta Armamentarii，2009，38(4):1142 - 1144.(in Chinese)

［4］高明輝，李麗富，徐敬禮，等.一種新型多波段大口徑平行光管的設計［J］.紅外與激光工程，2009，38(4):698 -701.GAO Ming-hui，LI Li-fu，XU Jing-li，et al.Design of a new kind of multi waveband large aperture parallel light pipe［J］.Infrared and Laser Engineering，2009，38(4):698 -701.(in Chinese)

［5］楊志文.光學測量［M］.北京:北京理工大學出版社，1995:16-21.YANG Zhi-wen.Optical measuring［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，1995:16 -21.(in Chinese)

［6］馬宏，王金波.誤差理論與儀器精度［M］.北京:兵器工業出版社，2007:236 -245.MA Hong，WANG Jin-bo.Error theory and instrument precision［M］.Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry，2007:236 -245.(in Chinese)