坦克瞄準精度測量系統設計與精度分析

邵英琦，劉博文，馮進良

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

坦克火炮的瞄準精度是衡量其火力系統性能的重要指標，本文設計了一種新型的檢校技術，用坦克瞄準線和坦克火炮軸線在坦克對稱面和水平面內的投影的平行度誤差表達坦克火炮的瞄準精度，通過將出瞳距轉接光學系統和激光準直系統加裝在瞄準鏡前端，實現準直激光束模擬瞄準線，采集數據的同時方便人眼觀察。

1 測量系統工作原理

1.1 測量系統

坦克瞄準線與坦克火炮軸線在坦克對稱面和水平面內的是平行，以此條件為依據對坦克瞄準精度進行檢校。依據平行校靶方法的通用要求，設計出一套對坦克瞄準線與坦克火炮軸線之間平行度誤差的測量系統。測量系統如圖1所示，由光源系統、成像系統及圖像采集處理系統三部分組成。采用激光器1，2的準直激光光束分別模擬坦克瞄準線和火炮軸線，并在靶面上設置一個長度經過標定的標尺，該標尺位于兩光斑附近，CCD相機對光斑圖像進行采集，在同一幅圖像中同時采集到2個光斑和標尺圖像，并將記錄下來的圖片信息上傳計算機上，通過計算光斑質心得到瞄準軸線和火炮軸線位置關系。

1.2 測量原理

圖1 測量系統圖

如圖2（a）所示，在D1=25m和D2=50m條件下分兩次測量。靶板上設置長度標定過的十字標尺，該標尺位于兩光斑附近。兩次測量結果如圖2（b），2（c）所示，兩線與靶板相交兩點之間的水平位差用Δx1，Δx2表示，垂直位差用Δy1，Δy2表示。瞄準線與火炮軸線在坦克水平面內的平行度誤差為Δα，在坦克對稱面內的平行度誤差為Δβ[2］。

圖2 測量原理圖

2 系統設計

2.1 光源系統設計

光源系統采用He-Ne激光器，波長為632.8nm，輸出功率為2mW。He-Ne激光光束具有高度的方向性、單色性、相干性和能量集中性，結構簡單，使用方便。廣泛應用于各類軸線的平行度測量。通過對瞄準鏡前端出瞳距轉接光學系統和炮口激光器夾具的設計，保證激光器光軸與被測對象軸線的同軸度，實現用激光器1，2的光軸分別模擬瞄準線和火炮軸線。

2.1.1 準直激光模擬坦克瞄準鏡軸線的設計

由于坦克瞄準鏡是一個完整的光學系統，無法實現校靶儀器的插入。本文采用改變瞄準鏡出瞳距離的方法，把同軸激光光源安裝在觀瞄系統前端，實現用準直激光光束模擬瞄準線，測量同時兼顧目視觀瞄。具體如圖3所示，將出瞳距轉接光學系統和體外反射鏡與觀瞄系統同軸安裝，以此為基準安裝系統光源。觀察自準直儀分劃板刻線，調整儀器主體，使十字標線與指示分劃板零位重合，瞄準線與激光器光軸同軸。測量時，移除反射鏡，使激光束到達目標靶面，得到激光光斑圖像。

圖3 瞄準鏡光源裝置示意圖

2.1.2 準直激光模擬坦克火炮軸線的設計

坦克火炮軸線也采用準直激光來模擬，工作時，需要根據炮管的尺寸配做適合的夾具，將He-Ne激光器固定在炮口軸心位置，以保證激光器軸線和炮口軸線的同軸度。采用圖4所示的剛性的接口法蘭作為夾具，可以保證平行度在0.01mm以內[3］。

圖4 夾具結構圖

2.2 成像系統設計

2.2.1 成像系統參數確定

作為測量系統的成像部分，其相關設計參數與系統的測量精度有直接的關系。例如，CCD的像元大小，直接決定了系統的最小誤差；系統的畸變也會在一定程度上對測量結果造成影響。因此，成像系統的設計是整個系統的重要一環[4］。

表1 感光芯片CCD主要參數表

選用索尼公司推出的一款APS規格600萬像素的CCD系列傳感器，適配于尼康D100相機，所選參數如表1所示。芯片尺寸為1/1.8inch，即23.62mm×15.75mm。為了增大像面的利用率，靶面寬與芯片寬高比應相同，約為1.5。結合坦克校靶實際檢測情況，這里選用2.3m×1.5m透光薄板作為激光接收靶面。擬定物距為5m，根據靶面尺寸，理論計算出鏡頭物方視場2ω為：

因為是設計采集靶面光斑點位置識別的光學系統，所以設計畸變必須控制在1%以內，保證測量的精確，進而可以近似像方視場tanω'=tanω，即像方視場2ω'與物方視場2ω相等。根據芯片尺寸，理論計算出光學系統的焦距為：

2.2.2 成像系統設計結果

為了減小測量帶來的影響，系統的畸變需要嚴格控制，因此，選擇類雙高斯衍變結構設計光學系統。設計波段為可見光波段[5］。根據前面計算的相關參數，設計結果如圖5所示。

圖5 成像系統設計結果

圖5（a）為光學系統的2D結構圖。由圖5（b）可看出，RMS光斑最大半徑3.1μm以內，各像差均衡結果較好。由圖5（c）可看出，成像系統所有視場的畸變均小于-0.55%，對測量的結果影響很小，幾乎可以忽略，由圖5（d）可看出，所有視場MTF數值在150線對處均達到0.5以上。從以上設計結果中可以看出，各視場像質均達到較好效果，該鏡頭符合設計要求。

3MATLAB數字圖像處理及數值計算

3.1 圖像處理

通過計算機仿真25m處和50m處的靶面采集圖，本文采用將圖片的RGB顏色空間轉換為HSV顏色空間，通過MATLAB工具箱提供的graythresh函數，使用最大類間方差法得到閾值，對灰度圖進行閾值分割并得到圖像二值化黑白圖。并利用bwlabel函數對區域進行標記和Regionprops函數對面積區域屬性進行提取，利用cat函數將每個區域的面積屬性整合到一起，再將各區域面積大小降序排列，只保留前兩個區域去噪聲處理，僅保留需要識別的2個光斑點。再次利用Regionprops函數對區域標記和區域質心屬性進行提取，鏈接成一個含質心（x，y）的矩陣，獲得質心列表。利用反色，突出目標質心點，其中顏色可合理選擇，如圖6所示。

圖6 質心識別圖

3.2 數值計算

通過識別出的位置1，2的光斑質心坐標，并利用公式（1），（2）計算得到本次模擬水平面和坦克對稱面火炮軸線方與瞄準鏡軸線的投影平行度誤差的仿真數值1.27°和1.25°。

4 精度分析

系統的誤差來源主要來源于以下幾個方面[6］。

4.1 探測器引入誤差

所選用的CCD相機的像元尺寸為7.5μm×7.5μm，鏡頭放大倍率為1/96.722，故相機在靶面上能分辨的距離約為0.726mm。兩次測量的測量點間距為25mm，則對應的測角誤差為：α1＜0.725/25000rad=2.9×10-5rad≈0.029mil。

4.2 激光器裝調誤差

激光器所采用的夾具全部由剛性元件組成，裝配偏心誤差為0.01mm，激光器長度為200mm，準直激光光束與炮管軸線不同軸誤差α2＜0.05mil。

4.3 數字圖像處理引起的誤差

圖像處理時，由于對圖像進行灰度和二值化轉換，會引起光斑邊緣的像素產生一個像素的位置變化誤差。由此，由數字圖像處理引起的誤差α3＜0.029mil。

4.4 激光光束同靶面不垂直度引起的誤差

瞄準鏡激光軸線與靶面不垂直度，可通過自準直儀調整靶面的空間位置控制在1°以內，引起的光斑位置誤差ΔL=0.4mm，產生系統的測角誤差α4=0.4/25000rad≈0.016mil。

4.5 靶面坐標標尺刻度誤差：

基于靶面的加工工藝和板材形變量，刻度誤差能控制在0.2mm，由此引起的測角角度誤差為α5=0.2/25000rad≈0.008mil。

4.6 誤差綜合

綜上，整個系統總誤差表示為：

測量誤差在0.07mil以內，能夠滿足測量需求[7］。

5 結論

本文提出一種采用激光準直光束模擬瞄準鏡軸線的新方法，實現對坦克各軸線平行度的檢測。實驗結果表明：該系統裝置的安裝和拆卸原理十分簡潔，操作方便，測量精度達到0.067mil，能很好的滿足要求。對于坦克炮瞄準精度和其他同類武器系統的平行性檢校具有良好的應用和開發前景，可以用來指導坦克炮的生產和制造。

[1]崔金河，盧廣山.GJB660A-98，機載武器系統校正與校靶通用要求[S］.國防科學技術工業委員會，1998-03-16.

[2]李志強.坦克炮管定向精度測試技術的現狀與發展[J］.兵工學報（坦克裝甲車與發動機分冊），1999，20（01）：38-41.

[3]何東，李乃根.機床夾具精度計算原則的分析[J］.機械設計與制造工程，2001，30（04）：3-4.

[4]王春艷，李帥，袁濟林，等.重復瞄準精度測量系統設計[J］.長春理工大學學報：自然科學版，2010，33（02）：28-31.

[5]袁旭滄.光學設計[M］.北京：科學出版社，1983.

[6]牟達.基于數字圖像處理技術的多管火箭炮平行性測量的研究[D］.長春：長春理工大學，2003.