高精度白光與微光瞄具零位走動量檢測技術研究

王瑩，王勁松，崔士寶，安志勇

（長春理工大學光電工程學院，吉林長春130022）

高精度白光與微光瞄具零位走動量檢測技術研究

王瑩，王勁松，崔士寶，安志勇

（長春理工大學光電工程學院，吉林長春130022）

針對白光瞄具前加設微光鏡組而成的組合式瞄具零位高精度檢測需求，研究了一種可檢測組合式瞄具純零位變化及微光鏡組光軸走動量的光電檢測方法。該方法采用CCD相機測量組合式瞄具總的零位變化量，雙自準直儀對組合式瞄具裝卡產生的誤差和微光鏡組裝卡產生的調整架姿態變化進行定量檢測，并從CCD測量值中予以剔除，最終得到組合瞄具的純零位變化以及微光鏡組的光軸走動量。闡述了檢測理論模型，并設計了測量實驗。研究結果表明：白光瞄具的純零位走動量測量精度σ值不大于2.16″（0.01 mil）；微光鏡組的光軸走動量測量精度σ值不大于21.6″（0.1 mil）.

兵器科學與技術；組合式瞄具；零位變化量；雙自準直儀

0 引言

瞄具是武器裝備中不可或缺的裝置，其零位走動量（即瞄準基線變化量）是影響武器射擊準確度的主要因素，是瞄準鏡實驗必須要檢測的項目之一，也是評價瞄具穩定性的重要指標［1］。本文涉及的微光瞄具是在白光瞄準鏡前附加微光鏡組組合而成［2］，因此需要檢測白光瞄具的零位走動量和微光鏡組的光軸走動量，產品的設計和生產要求掌握的變化量，即不包括白光瞄具和微光鏡組的重復裝卡誤差。據調研，目前針對此種組合式微光瞄具的零位走動量檢測，都包含重復裝卡誤差，不能提供純的零位走動量［3］。考慮到瞄具設計、生產和實驗的需求，有必要對其展開研究。

1 測量原理

1.1 瞄具重復裝卡誤差的剔除

測量瞄具的零位走動量必須建立一個無限遠的基準目標，通常采用平行光管來模擬［4］。如圖1所示，平行光管分劃板Rg的分劃O在瞄具分劃R0上的像為B，而瞄具分劃板中心O0對應的物空間點為平行光管分劃板上A，由圖1中幾何關系可知：

圖1 數字讀數式零位走動量測量原理圖Fig.1 Digital measurement principle of sight line alteration

式中：O′A′為平行光管分劃在CCD光敏面Rc上的像與瞄具分劃板中心對應在像空間上的像A′之間的距離，可以由CCD采集并經圖像處理求得；為平行光管物鏡焦距，為CCD物鏡焦距，可事先檢測出來；Γ為瞄具的放大率，代入（2）式即求得總的零位走動量θ.此結果既包括純粹的瞄具零位走動量β又包括瞄具重復裝卡誤差α，則瞄具的純零位變化量為

圖2 剔除重復裝卡誤差原理圖Fig.2 Measurement principle of rejecting repetitive positioning error

實現方法如圖2所示，光電自準直儀分劃板Rg中心O經半反半透鏡組件B反射，在光電自準直儀CCD像面Rgc上的像為O′，瞄具重復裝卡后機械軸線與檢測系統主光軸的夾角（即瞄具的重復裝卡誤差）為α，由幾何關系可知：

式中：O′Ogc為光電自準直儀分劃板中心經半反半透鏡組件在光電自準直儀CCD像面的像與瞄具分劃板中心對應在光電自準直儀CCD像面上的偏移距離，可以由光電自準直儀讀出；為光電自準直儀物鏡焦距。則α值可在（1）式的θ中予以剔除。

1.2 微光鏡組裝卡誤差的剔除

檢測組合式微光瞄具（白光瞄具+微光鏡組）時，CCD采集的數據中包括三部分：1）白光瞄具零位走動量；2）微光鏡組的光軸走動量；3）微光鏡組裝卡誤差。對于微光鏡組的裝卡誤差，包括微光鏡組的重復裝卡誤差及微光鏡組裝卡時調整架姿態的變化。則微光鏡組的光軸走動量為

實現方法如圖3所示，光電自準直儀2分劃板Rg1的中心O1經半反半透鏡組件在光電自準直儀2的CCD像面Rgc1上的像為，微光鏡裝卡組后平面反射鏡M與光電自準直儀2光軸垂直面的夾角為φ，由圖3幾何關系可知：

圖3 裝卡微光鏡組誤差的剔除原理Fig.3 Measurement principle of rejecting the installing error of shimmer lens

2 實施過程

由上述測量原理，設計測量系統如圖4所示，光電自準直儀1、2裝卡到懸臂梁組件上。調整CCD相機調整架，使光電自準直儀1的十字刻線在CCD視場的中間位置。白光瞄具安裝在調整架上，調整調整架使白光瞄準具十字分劃線與光電自準直儀1的十字分劃接近重合。調節平面反射鏡二維調整架，使光電自準直儀2的十字刻線經過平面鏡反射的像與原光電自準直儀2的十字刻線重合，鎖緊平面反射鏡二維調整架。

2.1 瞄具的純零位變化測量

白光瞄具裝卡到調整架上，記下此時從CCD中采集的白光瞄準具十字刻線相對于光電自準直儀1十字刻線的偏移量θX0、θY0，以及光電自準直儀1經過半反半透鏡反射的十字刻線與光電自準直儀1原十字刻線的偏移量αx0、αy0.

對實驗后的白光瞄具進行重新裝卡，記下此時從CCD中采集的白光瞄準具十字刻線相對于光電自準直儀1十字刻線的偏移量θX1、θY1，以及光電自準直儀1經過半反半透鏡反射的十字刻線與光電自準直儀1原十字刻線的偏移量αx1、αy1.由（4）式得到白光瞄具的純粹零位走動量ΔβX、ΔβY分別為ΔβX=（θX1-θX0）-（αx1-αx0），ΔβY=（θY1-θY0）-（αy1-αy0）.

圖4 系統三維圖Fig.4 Three-dimensional diagram of system

2.2 微光鏡組光軸走動量的測量

將微光鏡組裝卡于白光瞄準具的前端，記下此時從CCD中采集的白光瞄準具十字刻線相對于光電自準直儀1十字刻線的偏移量，光電自準直儀1經過半反半透鏡反射的十字刻線與光電自準直儀1原十字刻線的偏移量，以及光電自準直儀2經過反射鏡后的十字刻線與光電自準直儀2原十字刻線的偏移量φx0、φy0.

將微光鏡組單獨拆卸，進行實驗后對其重新裝卡，記下此時從CCD中采集的白光瞄準具十字刻線相對于光電自準直儀1十字刻線的偏移量，光電自準直儀1經過半反半透鏡反射的十字刻線與光電自準直儀1原十字刻線的偏移量，以及光電自準直儀2經過反射鏡后的十字刻線與光電自準直儀2原十字刻線的偏移量φx1、φy1，由（7）式得到微光鏡組的光軸走動量ΔγX、ΔγY分別為

3 實驗及數據分析

3.1 白光瞄具的純零位變化量的測量

實驗裝置如圖5，本實驗使用的白光瞄準鏡零位變化量小于0.1 mil.將經射擊等實驗后的白光瞄具重復裝卡，記錄每次CCD采集的θX0、θY0以及光電自準直儀1的讀數αx0、αy0，如表1和表2所示。其中序號i為0表示首次裝卡時CCD采集的數據及光電自準直儀的讀數，即未產生重復裝卡誤差時的數據。Δαx、Δαy為每次實驗結果與序號0實驗讀數的差值，即重復裝卡誤差。

圖5 實驗裝置圖Fig.5 Schematic diagram of experimental set-up

實驗所得數據測量精度σ=2.03″，測試數據可靠，完全達到當前產品零位變化量小于2.16″（0.01 mil）的要求。實驗及結果證明本文所用方法可行［5］。

表1 實驗數據（X軸）Tab.1 Experimental data（X-axis）

表2 實驗數據（Y軸）Tab.2 Experimental data（Y-axis）

3.2 微光鏡組光軸走動量的測量

在上述實驗的基礎上，選用光軸走動量小于1 mil的微光鏡組進行實驗。調整架上安裝反射鏡，光電自準直儀2對準反射鏡，白光瞄具置于調整架上不變，反復安裝經射擊等實驗后的微光鏡組，記錄每次裝卡后CCD采集的，以及光電自準直儀1的讀數，光電自準直儀2的讀數φx0、φy0如表3和表4所示。

表3 實驗數據（X軸）Tab.3 Experimental data（X-axis）

表4 實驗數據（Y軸）Tab.4 Experimental data（Y-axis）

由實驗數據中可以得出σ=12.3″，測試數據可靠，達到當前產品對微光鏡組光軸走動量小于21.6″（0.1 mil）的要求。

3.3 誤差分析

造成誤差的主要因素有以下4點：

1）調校誤差。在調校過程中由于人眼的對準誤差，CCD像面不與物鏡像面完全重合，且不垂直于光軸。

2）CCD及光電自準直儀的讀數誤差。在CCD讀數過程中由于CCD感光像元存在大小及間距，而采用二值化處理所引入的誤差。

3）瞄具機械軸與光軸的不重合度誤差。在瞄具加工、裝配過程中，由于瞄具各零件和透鏡加工精度的限制及裝配，會使瞄具機械軸線與光軸產生角度誤差，即瞄具前端面不垂直于光軸。

4）半反半透鏡的重復貼合誤差。由于半反半透鏡的對準需要與瞄具前端面進行接觸，前后兩次貼合的不一致所引起的誤差。

4 結論

采用雙自準直儀方法實現對微光瞄具的零位進行高精度檢測。剔除了白光瞄具重復裝卡誤差，微光瞄具裝卡產生的誤差和重復裝卡差異進行定量檢測。構建了實現檢測的理論模型，并針對白光瞄具重復裝卡誤差和微光鏡組裝卡產生的誤差及微光鏡組裝卡對調整架影響進行了檢測實驗，得到瞄具的純零位走動量和微光鏡組的光軸走動量。結果表明，雙自準直儀法可以有效剔除上述各種誤差的影響，實現秒級精度檢測。

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［3］呂溥，韓國華，張艾莉，等.高精度瞄準鏡零位走動量檢測研究［J］.激光技術，2013，37（3）：404-408. LYU Pu，HAN Guo-hua，ZHANG Ai-li，et al.Study on measurement of sight-line alteration of high precision sighting telescopes［J］.Laser Technology，2013，37（3）：404-408.（in Chinese）

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［5］馬宏，王金波.誤差理論與儀器精度［M］.北京：兵器工業出版社，2007：44-58. MA Hong，WANG Jin-bo.Error theory and instrument precision［M］.Beijing：Publishing House of Ordnance Industry，2007：44-58.（in Chinese）

Study of High Precision Zero Point Momentum Detection Technology for White and Shimmer Light Sight

WANG Ying，WANG Jin-song，CUI Shi-bao，AN Zhi-yong
（School of OptoElectronic Engineering，Changchun University of Scieence and Technology，Changchun 130022，Jilin，China）

For the requirements of the sight line alteration detection of the combined sight adding a shimmer lens group to the white sight，a high-precision measurement method can be used to measure the true sight line alteration of combined sight as well as the optic axis variation of shimmer lens group.In the method，a CCD camera is used to measure the total sight line alteration，and the errors caused by assembling the combined sight and the attitude change of adjusting bracket caused by assembling the shimmer lens group are quantitatively measured using a dual-auto-collimator，which are eliminated from the measured values to get a true sight line alteration.A theoretical detection model is presented，and the measuring experiment is made.The results show that the measured value of sight line alteration σ is less than 2.16″（0.01 mil）；the measured value of the optic axis variation of shimmer lens group σ is less than 21.6″（0.1 mil）.

ordnance science and technology；combined sight；sight line alteration；dual-auto-collimator

TH745

A

1000-1093（2015）08-1481-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.015

2015-03-03

吉林省重點科技攻關項目（20150204044GX）

王瑩（1991—），女，碩士研究生。E-mail：agaric1990@163.com；王勁松（1974—），男，副教授，碩士生導師。E-mail：soldier_1973@163.com；安志勇（1943—），男，教授，博士生導師。E-mail：an_zhiyong@126.com