槍械出廠前瞄準等效及其射效自動校正方法

李睿冬， 劉科言， 曹巖楓， 王永娟

(1.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094； 2.重慶建設工業(集團)有限責任公司， 重慶 404100)

0 引言

槍械機械瞄具因其結構簡單、制造方便、勤務性好等特點，在現代槍械中仍被廣泛應用。為確保槍械出廠前具有良好的機械瞄準射擊精度，需對槍械的射擊效果進行校正，使其符合槍械射效校正規則要求。現有的槍械出廠前射效校正方法以人工進行實彈試射并校調為主。該類校槍方法主要存在效率低、成本高、安全性差、對高水平射手以及大空間場地等依賴性強問題。

隨著激光技術的發展，激光校槍概念及相關研究出現。任傳銘等利用前插式激光校槍器發射光束，并折算彈道下降高度模擬彈著點位置，實現無彈校槍；艾春玲通過雙激光校槍方法，在臺架上固定槍械后對其機械瞄具進行校調，進而排除了人工持槍因素對校調結果的影響；吳天文通過激光靶和控制電路接收落點坐標進行校調，理論上實現了自動化校槍。但是，類似上述的現有激光校槍方法，其校槍工作仍需要射手進行瞄準，憑借經驗進行校槍，或是校槍器裝拆等工作仍需要人工的大量參與，難以實現自動化。其次，由于激光在校槍環境下屬于遠場激光束，且受尺寸、制造加工等條件限制，致使激光器功率較低，因此遠場激光束在光能量傳輸過程中易受外部光線、噪聲、空氣流動等環境因素影響，導致光束在靶面上出現散射和能量中心偏移等情況，激光器也難以在大功率狀態下長時間持續工作。現有研究中有關槍械瞄準的等效精度、槍械校調結果精度等沒有充分的理論和試驗數據支撐，無法保證其能夠滿足槍械出廠前精度校調結果的要求。現有的激光校槍器產品受制造加工條件、尺寸條件等限制，僅適用于作戰前的短距離快速粗略校槍，其校調精度同樣難以滿足槍械出廠前的射效校正標準。

本文提出一種槍械出廠前的瞄準等效及其射效自動校正方法。如圖1所示，通過建立槍械射線及瞄準基線的空間相對位置關系模型，結合彈道下降量等誤差補償，獲得機械瞄準具校調參數，并通過校調裝置對機械瞄具進行自動調整，進而實現槍械出廠前射效自動校正。

圖1 槍械出廠前瞄準等效及其射效自動校正方法Fig.1 Precise equivalence of gun aiming and autocorrection of shooting efficiency

1 槍械瞄準等效方法

槍械機械瞄準等效，即對彈丸發射出膛后的運動軌跡線以及照門、準星和目標點構成的瞄準線進行空間位置描述，且該描述應保證相應的等效精度。

1.1 射線等效

通過激光束輸出可以等效聲管軸線空間位置的光信號，以此建立聲管軸線的空間位置模型，進而完成射線等效。

采用前插式激光器發射激光束等效聲管軸線。前插件采用單向簧片脹緊結構，插入槍管后插件表面會與槍管膛線的部分陽線表面緊密貼合。但由于槍管膛內始終存在細微的制造誤差如圓柱度等，且復雜的膛線結構同樣存在制造誤差，導致當前插件以不同角度插入槍管中時，插件表面與槍管膛線的不同陽線表面位置緊密貼合，所得到的插件軸線角度指向各不相同，因此前插件插入槍管后在當前位置下發射的激光束對槍管軸線的等效描述結果并不充分；其次，受槍管膛內表面存在一定粗糙度影響，前插件與膛內始終存在細微的配合誤差；最后，由于制造和裝配，前插件前端的激光器與前插件之間存在一定同軸度誤差，且激光器與激光束之間始終存在一個小的發射偏角參數，因此激光束軸線與前插件軸線之間也存在一定的同軸度誤差。如圖2所示，采用單向簧片脹緊方式的前插式激光器等效射線所產生的誤差，均可視為以理論槍管軸線為基準的徑向誤差，因此易對聲管軸線等效結果造成較大偏差影響。

圖2 單向簧片脹緊式前插激光器的同軸度偏差因素Fig.2 Coaxiality deviation factors of unidirectional reed expansion forward insertion laser

為保證聲管軸線的等效精度，本文提出一種誤差補償方法：將激光器前插后，控制前插件在膛內旋轉一周，以減小激光束等效聲管軸線的誤差。經試驗驗證，由于各類誤差影響，激光器在槍管內旋轉一周后，激光束在不同旋轉角度下得到的空間位置集為一錐面。則在任意射距的垂直散布面上，在旋轉角度位置下激光束得到的光斑點位置，可視為激光器在旋轉(+180°)角度位置下所得光斑點位置的徑向補償因素。因此，如圖3所示，前插件在槍管內旋轉一周后，所得等效射線位置集在考慮彈道下降量后可視為近似的集束彈道；根據激光束集得到的平均激光束位置在考慮彈道下降量后即可視為相對準確的平均彈道位置；而垂直散布面上的光斑散布中心位置在考慮彈道下降量后即可視為相對準確的射彈散布中心位置。

圖3 射線等效誤差補償方法Fig.3 Compensation method for equivalent radial errors

由此，本文基于上述方法提出一種新的射線等效方法：控制插件前插入槍管后旋轉一周以上，在槍械前端近距離處測試激光器插件在所旋轉一周內多個不同位置下激光束的位置信號和角度指向信號，基于所測激光束的信號集進行解算，并基于連線法對解算后的任一射距處假想靶面上的模擬點集進行均值處理，得到射線空間位置等效模型為

(1)

式中：為插件旋轉一周內對光束信號的測試次數，≥8；、為位置信號，即激光器旋轉不同角度下所測得的激光束在感光面光敏層上所得光斑的橫縱坐標；為射距；c為感光面光敏層距離射線激光束起始位置的測試距離；、為角度指向信號，即激光束繞感光面光敏層橫縱坐標軸所旋轉的角度。

為驗證該射線等效方法及其誤差補償方法所得的等效結果精度，對若干支固定的某小口徑自動步槍進行誤差補償前后激光束等效射線位置和實彈試射的對比驗證試驗。以該步槍在100 m射距上的射擊結果為基準，對比有無誤差補償的光斑位置與基準的偏差，最終得到的試驗結果如表1所示。

表1 射線等效誤差補償結果Table 1 Compensation results for equivalent radiation errors cm

分析試驗結果可知，該誤差補償方法能有效減小在標準射距靶面上射彈散布中心的等效結果偏差，等效結果偏差經誤差補償后平均可減小至原來的11.5%。考慮試驗過程中，槍械固定無后坐力緩沖、遠場激光受外部環境干擾較大等試驗因素造成的誤差影響，認為所得有誤差補償結果偏差在可接受范圍內，該誤差補償方法對射線等效結果的影響趨勢滿足槍械射效校正要求。

在前插運動中，需控制插件在槍管內的前插深度，并防止簧片掉入膛線的陰線部分后無法爬出，導致插件隨陰線軌跡做螺旋運動的情況，同時需保證插件在前插過程中能夠自由適應每支槍械的槍管軸線不同空間位置。因此，如圖4所示，在前插動作中，除了限制前插件在軸方向移動及繞軸轉動外，需保證前插件擁有剩余4個自由度。由此，本文采用同軸彈簧完成前插件在槍管內的短距離定向，并通過外殼槽端面和前插件分支鍵的接觸力驅動插件完成剩余前插動作，其中分支鍵與外殼槽之間有足夠大的間隙，實現前插動作擁有沿軸、軸方向的移動及繞軸、軸的轉動4個自由度；外殼槽側面與前插件分支鍵接觸驅動插件槍管內旋轉一周；之后通過錐形面結構及同軸彈簧的彈簧力完成每次前插件拔出槍管后的自動定心回位。該結構的示意圖如圖4所示。

圖4 激光器插件自動前插結構Fig.4 Automatic front insertion structure of the laser plug-in

由此，射線等效流程如圖5所示。

圖5 射線等效流程Fig.5 Flow chart of radiographic equivalence

1.2 瞄準基線等效

基于射手進行瞄準時人眼視線同時穿過照門、準星以及目標點的“三點一線”瞄準原理，本文通過激光束等效人眼視線對瞄準基線的空間位置進行描述。在測試系統中完成一系列信號接收后，通過隨動控制組件調整激光束同時穿過照門中心及準星上方點位置。在槍械前端近距離處測試當前激光束的位置信號和角度指向信號，并基于所測信號集進行解算，得到瞄準基線空間位置等效模型為

=+(-)tan
=+(-)tan

(2)

式中：、為激光束在感光面光敏層上所得光斑的橫縱坐標；、為激光束繞感光面光敏層橫縱坐標軸所旋轉的角度；為感光面光敏層距離瞄準基線激光束起始位置的測試距離。

在本文瞄準基線等效方法中，通過對機械瞄具進行圖像識別與分析，在上位機得到照門中心及準星上方點的空間位置坐標信號。隨動控制組件在完成照門中心空間坐標信號的接收后，通過三維滑臺模組調整激光束穿過照門中心；在完成準星上方點空間坐標信號的接收后，通過旋轉云臺模組控制激光束進行橫向偏轉角和俯仰角調整直至穿過準星上方點。為防止激光束部分光被機械瞄具遮擋導致測試結果存在偏差，在等效完成后需根據當前光敏層所測得的光強信號值來判斷是否存在光束被遮擋情況，以保證瞄準基線光束的測試精度。由此，瞄準基線等效流程如圖6所示。

圖6 瞄準基線等效流程Fig.6 Equivalent flow chart of sight radius

本文瞄準基線等效方法充分發揮了激光束準直特性，并實現用數據信號完成對瞄準基線空間位置的客觀描述，理論上具有較高的等效精度。但由于測試傳感器非常靈敏，響應時間可低至10 μs，在350～1 100 nm波長范圍內的光信號均可被有效響應，光束信號各參數的測試精度可達到微米級，且測試信號在本文算法模型中需進行數百倍左右的放大，因此即使本文通過在近距離處測試激光信號的方法使所測激光束不會成為易受外部環境影響的遠場光束，但一定程度外部環境影響造成激光束信號的細微偏差均能被傳感器測試到并在算法模型中進行放大，對測試結果造成不同程度的誤差影響。經試驗驗證，在不同外部環境影響下瞄準基線等效結果在100 m靶面上偏差如表2所示。

表2 外部環境對等效結果影響Table 2 Influence of external environment on equivalent results

分析試驗結果可知，槍械射效校正工作環境需保證在光線暗柔、低噪聲、低振動的較封閉環境下進行，且根據傳感器的光譜響應曲線特性，盡量選用光束波長在960 nm附近的激光發射器，以滿足激光束等效瞄準基線具有較高的等效精度。同時，考慮一些外界不可控因素可能導致所測得激光信號集存在部分異常信號值，本文對同一位置的激光束信號進行0.1 s左右的持續測試，在得到該信號的若干數值樣本后，在上位機系統中通過格拉布斯準則對樣本信號集進行排異處理，之后再取剩余樣本信號集的期望值作為最終信號值參與計算。該排異方法所得的排異結果置信率可達99%，有效排除樣本信號中部分異常信號值對等效計算結果的影響。若排異后的樣本信號集方差依舊過大，則可認為外部環境中某幾種因素對測試具有較大且持續影響，需對測試環境進行檢查并修正后再重新進行光束信號測試。

2 槍械射效自動校正

2.1 機械瞄具校調量算法

基于射線及瞄準基線空間位置等效模型，本文繼續考慮具體外彈道因素、測試系統內各部分相對位置偏差等補償因素，建立射線與瞄準基線的空間相對位置關系模型，并對照射效校正規則要求得到機械瞄具的校調參數。

考慮彈道下降量因素影響，根據外彈道學得到彈丸質心運動有關彈道下降量的西亞切近似解法為

(3)

式中：為彈道下降量；為彈道系數；為彈丸初速；為假想速度；為發射傾角；、、為西亞切主要函數，采用43年阻力定律。

表3 西亞切主要函數擬合效果Table 3 Fitting effect of Siacci’s main functions

由此，彈道下降量算法模型為

(4)

式中：(,)表示傅里葉擬合函數，為所需代入的西亞切主要函數類型，為自變量。

則考慮彈道下降量因素后，等效平均彈道軌跡算法模型為

(5)

式中：、為射距處靶面上的等效射彈散布中心的橫縱坐標。

考慮系統內各部分之間存在一些不可避免的相對位置關系導致的誤差因素影響，主要包括槍身固定后小角度歪斜使槍身位置與測試傳感器位置存在一定的相對位置關系所導致的誤差；傳感器光敏區尺寸較小，僅為9 mm×9 mm，測試傳感器需要在兩個不同測試位置分別測試兩激光束信號，由此導致不同測試位置下傳感器存在一定的相對位置關系所導致的系統誤差等。為解決該類誤差影響，本文通過瞄準基線算法模型進行誤差補償，補償后瞄準基線空間位置等效模型為

=cos-sin+
=sin+cos+

(6)

式中：為槍身歪斜角度，取槍身偏右歪斜角度為正；為系統誤差橫向補償的經驗值，以右移為正；為系統誤差縱向補償的經驗值，以上移為正。

關于(5)式和(6)式，可根據所需校正的槍械類型、彈丸類型、所需校槍的射距在系統中預設彈丸初速、彈道系數、射距等參數；根據圖像識別得到槍身歪斜角；根據對測試系統的預調試得到系統誤差補償量和。最終根據槍械前端近距離處測試和排異處理后得到的激光束信號集進行計算，建立射線與瞄準基線空間相對位置關系模型。在射距處假想靶面上模擬射彈散布中心位置(,)及模擬瞄準點位置(,)，即射彈散布中心與瞄準點在射距處假想靶面上的相對位置關系為

Δ=-
Δ=-

(7)

根據所得靶面上射彈散布中心與瞄準點的相對位置關系，并對照射效校正規則要求，可反求出槍械機械瞄具的校調參數，進而可進行槍械射效的自動調整。

2.2 槍械射效自動校正實現

對于槍械射效自動校正的實現，本文提出一種小型化槍械自動校調裝置。該裝置外部設有遮光罩，底部設有隔振板并與低樓層地面裝配固定，滿足光線較暗且柔和的工作環境，避免外部強光、外部振動等因素的影響。裝置主要包括槍械定位固定組件、瞄準基線隨動控制組件、激光器前插組件、激光信號測試組件、機械瞄具自動調整組件等，如圖7所示。

圖7 小型化槍械自動校調裝置Fig.7 Automatic calibration device for miniaturized firearms

在上位機系統中選擇所需校調的槍械類型、彈丸類型及校調射距，完成系統對相應彈丸初速、彈道系數等固定參數的預設置，如圖8所示。

圖8 槍械射效自動校正預設置界面Fig.8 Preset interface for automatic gun shooting correction

對槍械進行定位夾緊后，通過相機對機械瞄具進行圖像采集和識別分析，在系統中得到照門中心空間坐標、槍身傾斜角度、照門調整旋鈕初始擋位等參數信號，完成對槍械及其機械瞄具的位置狀態識別，如圖9所示。

圖9 機械瞄具位置狀態圖像識別Fig.9 Image recognition of the position status of the mechanical sight

通過瞄準基線和射線等效組件調整激光束，輸出瞄準基線與射線等效空間位置的光信號。在槍械前端近距離處通過傳感器測試激光束信號：入射光束光斑照射到傳感器光敏層后，在光電效應作用下傳感器可將光斑的光能量信號轉化為電信號進行處理，處理完成后所測得的光斑能量分布峰值即光束能量中心位置，可視為光斑位置信號，如圖10所示；根據光斑能量的強弱分布得到光束能量中心軸基于標準光束能量中心軸的角度，可視為光束指向信號，如圖11所示。在測試過程中，盡量使光束射入靠近光敏層中心位置，且入射光束與光敏層法線的夾角不宜過大，以避免激光束部分光打在光敏層邊緣導致測試的光能量信號不完整等問題。

圖10 光敏層上所測得光斑能量分布Fig.10 Energy distribution of light spots observed on the photosensitive layer

圖11 光束指向信號示意圖Fig.11 Schematic diagram of beam pointing signals

測試完成后，將所測得的光束信號樣本進行排異處理后，可在系統中得到光束信號集以及其他實時測試參數值。相應信號集在系統中被實時監控，如圖12所示。系統通過將光束信號集輸入校調量算法程序進行計算，得到槍械機械瞄具的校調參數信號，如圖13所示。再根據所得信號，通過機械瞄具自動調整組件對機械瞄具進行自動調整。最后進行槍械射效校正結果驗證，若合格則完成射效校正，否則需對校正過程進行排查后重新校正，直至結果合格。

圖12 實時信號監控界面Fig.12 Real-time signal monitoring interface

圖13 待校正槍械射效校正結果界面Fig.13 Result interface of shooting efficiency to be corrected

由此，槍械射效自動校正實現流程如圖14所示。

圖14 槍械射效自動校正實現流程Fig.14 Flow chart of autocorrection of gun shooting efficiency

3 射效校正精度試驗驗證

為驗證本文槍械瞄準快速等效及槍械射效校正方法的結果精度，以小口徑自動步槍為例，對該方法進行精度驗證試驗。搭建基于本文方法的槍械瞄準等效及射效校正試驗平臺：將任一已校正準確的小口徑自動步槍固定于槍架，通過組合云臺調整激光束始終穿過照門中心；在冷瞄鏡前端固定激光器并設置十字頂絲進行激光束角度微調以適當縮小模擬光斑散布，并將前插件插入槍管中；在槍口前端固定一精密升降臺，用以控制測試傳感器光敏層能夠在不同位置分別測試到射線及瞄準基線激光束信號。如圖15所示。平臺搭建完成后，依次將傳感器通過高精密升降臺調至射線激光束測試位置和瞄準線激光束測試位置，并分別通過射線等效以及瞄準基線等效的實現流程，使傳感器在兩個測試位置下分別測試得到兩束激光的所有信號值，完成槍械的瞄準等效。

圖15 槍械射效校正精度試驗平臺Fig.15 Test platform for shooting accuracy calibration

通過本文所開發系統對所測得信號集進行處理計算，得到指定射距處靶面上該槍械瞄準點和射彈散布中心的相對位置關系、相應射效校正參數以及當前槍械射效結果，如圖16所示。

圖16 已校正槍械射效校正結果界面Fig.16 Result interface of the corrected shooting efficiency

對已校正準確槍械的機械瞄具進行隨機調整，再通過本文方法對該槍械重新進行射效校正，分析所得機械瞄具校調量與隨機調整量的一致性以及校調后槍械的射效結果，如表4所示。

表4 槍械射效校正驗證試驗結果 Table 4 Test results of shooting correction verification cm

經對結果的對比分析可知，本文槍械射效校正方法所得校調結果與實彈試射所得校調結果一致性高，校調后射彈散布中心與瞄準點的偏差距離均在5 cm范圍內，滿足該小口徑自動步槍出廠前射效校

正實施規定要求，具有良好的射效校正精度，且所得校調結果與隨機調整結果同樣具有較高的一致性。試驗結果表明，本文槍械瞄準等效及射效校正方法所得的結果精度較高，滿足槍械在出廠前標準射距上的槍械射效校正要求。

4 結論

本文從槍械出廠前射效校正的高效化、無彈化、自動化等需求角度出發，基于光學原理和圖像識別方法，考慮配合誤差等因素建立了射線及瞄準基線的等效空間模型；綜合外彈道特性以及相對位置誤差的影響，建立了機械瞄具校調數學模型；輸入光電檢測及信號排異處理得到的等效光束信號集，計算獲得校調參數；開發了一套槍械射效自動校正裝置和軟件系統。根據槍械瞄準快速等效及射效自動校正方法的驗證試驗結果及實際操作，得出主要結論如下：

1)本文槍械瞄準等效方法可行，等效結果與實彈試射結果的偏差經誤差補償后平均可減小至原來的115。

2)本文槍械射效自動校正方法所得機械瞄具校調參數結果可靠，校正后槍械射彈散布中心與瞄準點偏差可滿足槍械出廠前射擊精度要求。

3)本文開發的槍械射效自動校正裝置和軟件系統，可以用于槍械機械瞄準精度的自動化校正，消除了實彈試射的危險性和人員健康危害，降低了對操作人員的技術要求。