淺談裝備多軸線一致性檢測(cè)方法

周銘 馬春庭

摘? 要：該文針對(duì)當(dāng)前武器裝備多軸線一致性檢測(cè)方法精度不高、效率低的問題，提出了一種裝備多軸線一致性檢測(cè)方案，并設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)裝置。首先，從光軸轉(zhuǎn)換技術(shù)來闡述多軸線一致性檢測(cè)方法，分析了上轉(zhuǎn)換法、熱靶法和室內(nèi)多波段光軸檢測(cè)法。其次，論證了折射式方案和反射式方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并從視場(chǎng)角的大小、系統(tǒng)的相對(duì)長(zhǎng)度等方面綜合考量，選定了離軸式牛頓望遠(yuǎn)反射式系統(tǒng)來設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置的平行光管部分。最后，對(duì)提出的裝備多軸線一致性檢測(cè)方案的現(xiàn)實(shí)可行性進(jìn)行了分析說明。

關(guān)鍵詞：多軸線檢測(cè);光軸轉(zhuǎn)換技術(shù);折射式方案;反射式方案

中圖分類號(hào)：TN214? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

現(xiàn)役武器裝備具有火力軸、瞄準(zhǔn)軸和激光光軸等多個(gè)軸線。為了保證打擊精度，各軸線在初始狀態(tài)下空間指向應(yīng)當(dāng)保持一致。武器裝備的多軸線一致性檢測(cè)主要包括火力軸（單火炮身管軸線、多火炮身管軸線等）、瞄準(zhǔn)軸（光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)軸線、穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)基準(zhǔn)光軸等）、激光光軸（激光測(cè)距機(jī)）、電視光軸及電軸（電視攝像機(jī)、視頻成像儀等）、紅外光軸及電軸（紅外成像儀）以及雷達(dá)的電軸在方位和高低2個(gè)方向的誤差。

1 光波段轉(zhuǎn)換技術(shù)

1.1 激光波段轉(zhuǎn)換為可見光波段—上轉(zhuǎn)換板法

上轉(zhuǎn)換板所采用的器件是紅外探測(cè)轉(zhuǎn)換器件，該器件完成了激光到可見光的轉(zhuǎn)換，以便讓CCD能探測(cè)到光斑。上轉(zhuǎn)換板通過十字分劃對(duì)準(zhǔn)CCD產(chǎn)生的電十字分劃，著落于平行光管的后焦面上。但此方法在光波段轉(zhuǎn)換時(shí)量子效率很低，且在CCD上成像時(shí)間延長(zhǎng)效果并不明顯，其次上轉(zhuǎn)換板法對(duì)紅外熱像系統(tǒng)的光軸無法檢測(cè)。

1.2 室內(nèi)多波段光軸檢測(cè)法

該方法的原理是把被測(cè)試的設(shè)備放到平行光管前，將可見光設(shè)備作為瞄準(zhǔn)的基準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)瞄準(zhǔn)焦面上的十字目標(biāo)，通過調(diào)整可見設(shè)備來讓設(shè)備的十字絲中心和焦面中的十字目標(biāo)像重合起來。但要求焦面上的十字目標(biāo)需要放到平行光管前的平面反射鏡和多光譜分光鏡中，并成像到CCD上，形成紅外設(shè)備的瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)，最后通過和激光光斑進(jìn)行比對(duì)就能獲得激光設(shè)備和紅外設(shè)備間的光軸偏差量，原理圖如圖1所示。

2 方案論證

2.1 折射式方案

在普通的光軸檢校之中，一般使用一個(gè)大口徑的折射式平行光管，其結(jié)構(gòu)如圖2所示：由1個(gè)光學(xué)透鏡與1個(gè)分劃板組成。如在檢查激光測(cè)距機(jī)的光軸一致性時(shí)，使用1個(gè)大口徑的折射式平行光管，并在透鏡的焦點(diǎn)上放置一片像紙，根據(jù)激光在像紙上所打點(diǎn)的位置即可檢測(cè)出激光測(cè)距機(jī)光軸的偏差量。

實(shí)際工作中為了消除在紅外系統(tǒng)中由色差引起的成像點(diǎn)位置不同的問題，采用正負(fù)透鏡做成雙膠合透鏡來消除色差，如圖3所示。

圖4中大透鏡是鍺透鏡，可透過紅外光，將大透鏡中間截去，加一金屬框架，在金屬框架內(nèi)放置普通玻璃的小透鏡，用以透過可見光和激光，根據(jù)光路平行性要求，小透鏡的位置需要根據(jù)大透鏡的位置進(jìn)行前后左右的調(diào)節(jié)。此方案相對(duì)于采用雙波段透鏡的優(yōu)勢(shì)在于可以避免在光軸檢測(cè)過程中的人工調(diào)整，相對(duì)減小了檢測(cè)誤差。

但無論是利用雙波段玻璃透鏡調(diào)節(jié)分劃還是利用組合透鏡調(diào)節(jié)小透鏡來實(shí)現(xiàn)光軸檢測(cè)，均存在3點(diǎn)問題。1）價(jià)格昂貴。雙波段玻璃制造工藝復(fù)雜，鍺透鏡本就價(jià)格高昂，系統(tǒng)的成本大大提高。2）系統(tǒng)的裝調(diào)比較麻煩。前者需要根據(jù)被檢測(cè)系統(tǒng)不同波段的光軸來相應(yīng)調(diào)節(jié)分劃的位置，后者則需要調(diào)節(jié)組合透鏡中小白光透鏡的位置。3）系統(tǒng)的檢測(cè)精度不高。在調(diào)整過程中，如何確定確切的調(diào)整量，如何調(diào)整位置使之處于最佳狀態(tài)，往往是通過個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)來完成的，導(dǎo)致系統(tǒng)的檢測(cè)精度不高。

2.2 反射式方案

2.2.1 牛頓式望遠(yuǎn)系統(tǒng)

牛頓式系統(tǒng)起源于對(duì)天文望遠(yuǎn)鏡的研究，來自天體目標(biāo)的光接收在第一凹面鏡上，在此鏡焦平面上形成物的一個(gè)實(shí)像。其放大率等于物鏡焦距與目鏡焦距之比，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

牛頓式望遠(yuǎn)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)類型有2種：共軸式牛頓系統(tǒng)利用共軸式拋物面反射鏡的原理。共軸式牛頓系統(tǒng)里只有1個(gè)非球面光學(xué)元件。但是也存在不足的地方是，中心遮擋還不夠完善，需要通過調(diào)整結(jié)構(gòu)來解決，結(jié)構(gòu)如圖6所示。離軸式牛頓望遠(yuǎn)系統(tǒng)的反射鏡使用離軸式拋物面，能讓分劃板射出的光束通過拋物面反射后變?yōu)槠叫泄馐怯梢粋€(gè)拋物面主反射鏡組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3 總體方案設(shè)計(jì)

通用多軸線一致性檢測(cè)系統(tǒng)采用大口徑自準(zhǔn)直光平行光管方式組成的光鉸鏈，完成對(duì)火力軸線模擬器、電視攝像機(jī)、激光測(cè)距機(jī)、光學(xué)觀瞄鏡、紅外熱像儀的瞄準(zhǔn)軸線一致性檢測(cè)，檢測(cè)裝置如圖8所示。1）檢測(cè)裝置中平行光管的設(shè)計(jì)主要采用了上述所說的反射式方案中的離軸式牛頓望遠(yuǎn)系統(tǒng)，主要由分劃板和離軸式拋物面反射鏡組成，經(jīng)過組裝調(diào)節(jié)可以由此平行光管出射平行光線。2）CCD組件的使用是為了測(cè)試激光測(cè)距機(jī)的軸線與基準(zhǔn)軸線的一致性，首先將激光強(qiáng)度調(diào)整到CCD可以正常接收的范圍內(nèi)，接下來將被測(cè)設(shè)備置于平行光管前側(cè)，由被測(cè)設(shè)備出射激光，激光經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)調(diào)整后匯聚成為光斑，從而被CCD的光敏器件接收，通過與檢測(cè)設(shè)備的十字分劃中心進(jìn)行誤差比對(duì)，即可完成被檢測(cè)設(shè)備激光光軸與基準(zhǔn)光軸的一致性檢測(cè)。3）擴(kuò)展棱鏡組的設(shè)計(jì)主要是考慮到各個(gè)被檢測(cè)設(shè)備之間的間距較寬，完全由平行光管進(jìn)行檢測(cè)，不僅平行光管的制作成本高，而且體積比較大，操作體驗(yàn)比較差，為了解決這個(gè)難題，因此提出了新型的擴(kuò)展棱鏡組的設(shè)計(jì)方案，從而不僅縮小了系統(tǒng)體積，減輕了系統(tǒng)重量，還擴(kuò)大了測(cè)量范圍。

4 結(jié)語

該文對(duì)光軸轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行多軸線一致性檢測(cè)的原理及常用的幾種方法進(jìn)行了介紹，通過論證折射式方案和反射式方案的優(yōu)缺點(diǎn)，找到了最適宜的平行光管設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而提出適合裝備多軸線一致性檢測(cè)的方案，并陳述了該方案的現(xiàn)實(shí)可行性。

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