反射式平行光管的红外瞄具零位走动量测量方法研究

王劲松，安志勇，李海兰

(1.长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春130022;2.长春理工大学 计算机学院，吉林 长春130022)

红外瞄准镜和红外热像仪［1］(统称红外瞄具)的零位走动量［2］是指瞄具的瞄准基线由于物镜、目镜、分划板、变像管和装卡导轨等零部件的松动、变形和移位而发生了变化，外在的影响因素主要是运输、射击、环境变化等，其变化量通常用角度值(mil)表示。零位走动量是瞄具设计、加工、安装的科学性合理性的考核参数之一［3］。因为瞄准基线直接和武器射击精度相关，所以零位走动量直接关系到射击精度的好坏，在红外瞄具生产和试验中，对瞄具零位走动量的检测是十分重要的检测项目，目前国内外普遍采用反射式平行光管［4］结合测角装置进行检测，受光管视场的限制很难实现大视场测量。

1 零位走动量含义及测量基本原理

1.1 零位走动量含义

瞄准基线是指瞄具物镜中心与分划板中心的连线。由概念可知，零位走动量实质上是瞄准基线的位置变化。如图1为瞄具调校后的状态，Lo、Le、R1分别为瞄具的物镜、目镜和分划板，此状态下可认为瞄准基线OO1与瞄具的光轴O1O2重合，且光轴相对理论瞄准基线ll'无偏离。当运输、携行、射击或环境温度变化时，导致瞄具物镜、目镜、分划板、变像管和装卡导轨等零部件的松动、变形和移位，从而使瞄准基线和光轴发生了位置相对变化，如图2所示。瞄具光轴O1O2相对理论瞄准基线ll'偏转α 角，实际瞄准基线OO1与光轴偏转β 角，由图1和图2的对应关系可见，实际瞄准基线相对理论瞄准基线偏转了θ=α+β，此角即为零位走动量。

图1 瞄具理想工作状态Fig.1 Ideal working state of aiming sight

图2 瞄准基线变化示意图Fig.2 Sketch of aiming baseline change

1.2 测量基本原理

由零位走动量的含义可知，要想测量瞄具的零位走动量必须建立一个无穷远的基准目标，通常采用平行光管来模拟。如图3所示，Lc、Rc分别为平行光管的物镜和分划板，平行光管分划板中心F'c在瞄具分划板上的像为A 点，而瞄具分划板中心O 对应的物空间点(即瞄准点)在平行光管分划板上的O'，平行光管的光轴F'cOc即是测量的基准轴ll'.由图中几何关系可得

当θ 很小时，可认为

式中:F'cO'为红外平行光管分划中心在瞄具分划板上的像与瞄具分划中心的偏离量所对应的物空间平行光管分划板上的偏离量;f'c为红外平行光管焦距。由以上分析可知，瞄具零位走动量θ 可直接测量也可间接测量。由图3可知，如果平行光管出射的平行光相对瞄具的瞄准基线逆时针旋转θ 角，则光管分划板中心在瞄具分划板上的像A 点会与瞄具分划板中心O 点重合，而旋转的角度θ 可以通过角度读数机构直接读出，这就是直接测量的理论依据。

图3 零位走动量测量原理Fig.3 Measurement principle of sight line alteration

实际上对于转动反射式平行光管的方法［5］是不可取的，因为转动光管会使测量的基准因运动而产生变化，影响测量精度，另外从工程角度也因光管的体积和质量问题不易实现。针对此问题可在光管的出射光路中加入一个可调整角度的平面反射镜加以解决，如图4所示。若要令光管分划中心F'c与瞄具在光管分划板上的瞄准点重合，保持光管和瞄具不动，只要平面反射镜Rp旋转θ/2 角即可。

图4 利用平面反射镜读数原理Fig.4 Principle of data reading via reflector

2 基于反射式平行光管的直接测量系统

图5为反射式平行光管直接测量红外瞄具零位走动量的系统示意图。黑体、靶标、平面镜和抛物面反射镜组成反牛顿式光学系统红外平行光管，为测量提供无穷远红外靶标，红外瞄准镜通过平面反射镜观察无穷远靶标。平面反射镜安装在具有360°方位和俯仰运动的电控二维精密调整台上，调整台的2 个转轴均配有高精度绝对式轴角编码器，在程控2 个转轴转动的同时，给出平面反射镜的二维转角值。被测瞄准镜安装在瞄具安装座上，瞄具安装座具有纵横平移、升降、俯仰、方位五自由度的调整功能，用来实现瞄准镜在测试过程中的姿态调整。

图5 反射式平行光管测量系统简图Fig.5 System of reflection type collimator

测试时，调整安装座使瞄具大致对准靶标，调节面黑体的温度，确保红外分划清晰可见，控制电动二维精密调整台，使瞄具分划十字线与红外平行光管的靶标分划十字线对准，记下二维精密调整台的2轴角度。取下红外瞄准镜去进行射击、冲击振动、高低温试验等;试验后，将红外瞄准镜重新安装在瞄具安装座上，观察靶标成像变化情况，并程控调整安放平面反射镜的二维精密调整台，使红外瞄准镜分划十字线与红外平行光管的靶标分划十字线再次重合，记下此时二维精密调整台的两轴角度值，根据二维精密调整台前后2 次的姿态变化，经代数相减乘以2 即得到被测红外瞄准镜的瞄准基线的变化量，也就是零位走动量。

3 测试误差估算

影响测试精度的因素主要有测量时通过瞄具进行靶标对准的瞄准误差、通过自动二维调整台进行读数的读数误差和红外平行光管的自身误差。

3.1 瞄具瞄准误差σ1

瞄具的视放大率Г、对准误差σ1、人眼对准误差Pt的关系可表示为

式中:K1为置信系数;γ 为瞄准误差增大系数，据经验或实验给出它的数值［6］。理想情况下人眼对准误差，采用双线夹单线瞄准时Pt=10″.如果一个瞄准镜像元数388 ×284，像元大小35 μm，物镜焦距f'w=75 mm，目镜焦距f'm=20，视场10° ×75°，OLED显示屏的尺寸1″(2.54 cm)，等效视场放大率Γd=2.8×，取γ =3，瞄准误差为均匀分布［6］，置信系数(散布系数)，所以

3.2 读数误差σ2

1)二维调整台误差σ21

二维调整台采用精确直流力矩电机伺服，蜗轮蜗杆转动和轴角编码器，并采用消侧隙和空回机构，精度可达2″，对出射光则是4″，此误差服从正态分布，则

2)示值误差σ22

此误差服从均匀分布，若绝对示值误差δ =0.01 mil，则

通过以上分析，读数综合误差

3.3 红外平行光管误差σ3

主要包括分划制作误差、调焦误差、对准误差和焦距误差，后3 项通过光管的装调校准可以忽略，主要影响是分划制作误差。通过精密机械加工可以保证分划制作误差为0.01 mm，平行光管设计焦距f' =800 mm，此误差服从正态分布，所以K=3，由此引入的误差所以光管误差σ3=σ31=0.004 mil.

通过以上分析，总的测试误差如下，能够满足当前红外瞄具的测试要求。

4 标定实验及结果

采用某型号红外瞄具在实验室中对θ=(120 ±4)″标准锗玻璃光楔进行了精度标定验证实验，实验示意图如图6所示，Rp为光管的平面反射镜，光楔水平放置测量方位角，垂直放置测量高低角。调整RP，二维精密转台自动读值，各取10 次测量结果，数据如表1所示。测量的均值大于标称值是由于光楔安放误差造成的，y 向测量结果大于x向也是由安放误差造成的。2 个方向的σ 值均小于0.03 mil，与分析估算吻合。

图6 光管标定示意图Fig.6 Sketch of collimator calibration

表1 标定实验数据Tab.1 Calibration data

5 结论

对红外瞄具零位走动量测量原理进行了分析与阐述，并详细阐述了一种新型反射式平行光管直接测量零位走动量的方法，对方法中存在的误差因素进行了相应的分析估算，并进行了标定实验。结果表明，该方法可达到几秒的测量精度。研究的反射式平行光管测量瞄具零位走动量方法具有非接触、测量速度快、精度高、测量范围大、可实现多品种和多参数测量等优点，对瞄具的生产测试具有重要的现实意义。

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