一种基于PSD的光电自动校炮装置

陈 冉, 王长江, 刘广华

(北方光电股份有限公司 技术中心,陕西 西安 710043)

引言

坦克是现代陆地作战的主要武器之一。坦克的火力性能主要体现在威力和精度两个方面[1]。射击精度是一个与时间和环境因素有关的性能指标，也是坦克火控系统研究的重点。在实际的作战和训练中，炮管的弯曲变形总是存在的，这会直接影响弹丸出射角，是影响射击精度的最关键因素[2-4]。因此，要达到有效改善坦克火力精度的目的，就必须及时修正火炮炮管变形带来的射击误差，这通常是用校炮的方法实现的。传统的校炮方式是通过前置镜在车外人工测量炮口弯曲量，然后在车内人工装订修正量，不仅效率低、精度差，而且不具备实时性。本文介绍的基于PSD的光电自动校炮装置，可实现炮口弯曲变形量的车内实时自动测量和修正，进而实现车内光电自动校炮。

1 基本原理

基于PSD的车内光电自动校炮技术的关键是借助与炮口垂直且刚性连接的反光镜，采用直接光点反射法实时获取炮口的偏移量，如图1所示。当光源的光束入射到反射镜时，经反光镜的反射，到达PSD的光敏面上，这时，PSD就会输出一个位置信号，即所谓的“零位”，当炮管存在一个弯曲角α时，反光镜会偏转一个同样的微量角度α，根据几何光学的相关原理，反射光线将会偏转2α角，光点将会相对“零位”移动一定的距离S。假定，探测器距炮口反光镜的距离为L，该距离一般为炮塔上某安装基准面距离炮口反光镜的位置之间的长度，通常为几米，一般取L=5.85 m。同时，根据活动式校炮系统的经验值，炮管的弯曲变化量是一个非常小的量，其对应的炮口反光镜的偏转角度也非常小，一般在密位级别，所以α可以近似表示为

α=S/2L

这个值为测量得到的炮口偏移量，它与输入给火控计算机的修正值存在一个定量的关系，其表达式如下：

α修=Kα(K=0.75±0.05)

图1 光点反射法工作原理图Fig.1 Principle diagram of light reflection method

在实际应用中，初始对准的时候，通过调节安放装置使激光束大致入射在反射镜的几何中心位置，并且持续整个测试过程，同时经过反光镜反射后的光点落在二维PSD位置灵敏探测器光敏面的中心点位置附近，以确保反射光点的变化始终能够落在PSD位置灵敏探测器光谱响应线性度较好的中心区域[5-8]。

通过一定的数据采集方法，将光点偏移量的结果传给计算机进行统计和处理，然后，将此数值经过控制盒的进一步解算、显示和控制，将炮管弯曲后需要的校炮量送给火控计算机进行弹道修正，从而提高火炮射击精度，特别是首发命中率。

2 装置的总体设计

整个装置的设计，将采取自顶向下的设计思路。首先，必须确定一个针对于坦克火炮炮管弯曲变形这个测量量和后续数据处理有着显著特点和优越性的光电探测器。在探测器选定以后，根据其特性和有关参数去选择与之相适应的光源。然后兼顾探测器和光源两者的特性和有关参数去总体考虑光学系统以及具体的结构设计等，最后，采用一定的数据采集系统结合计算机处理对测量数据进行处理[9]。

图2为该装置的原理框图，自动校炮装置安装在炮塔的左前方，与安装在炮管前端的反光镜配合，对炮管的弯曲变形进行检测，当炮管发生弯曲变形时，反光镜随之偏转角度，光源的出射激光经过反射后就偏转一定的角度，聚焦在PSD上的光点位置也就产生了位移，PSD对光点位置变化输出相应的模拟量值，经过信号调制、放大、整形传输给校炮控制盒，在校炮控制盒完成解算、显示和控制，将炮管弯曲变形后所需的校炮量送给火控计算机进行弹道修正，提高坦克在火炮弯曲时的命中率。

图2 原理框图Fig.2 Functional block diagram

2.1 光电探测器的选择

PSD光电探测器的选择是车内自动校炮装置实现的关键环节。探测器的合理应用，是整个自动校炮装置进行设计和结构布局的先导。总的要求是，该探测器件必须满足灵敏度和测试精度的要求。

结合火炮炮管变形量测量的要求和可拆卸式校炮技术的应用经验，炮口的偏移量大约为1 mil，这为探测器件的选型提供了直接的依据，根据初步理论计算，装置中选择PSD探测器的主要参数如表1所示。

表1 选型PSD探测器的主要参数Table 1 Main parameters of selected PSD

2.2 光源的选择

自动校炮装置中所应用的光点反射法，是采用光学方法对能够反映炮口弯曲变形量的反射镜上的反射光点进行位置探测的过程。在方案的实现过程中，正确合理地选择光源，是自动校炮装置能够成功的关键因素之一。

对于不同精度的光电检测要求，系统对光源的稳定性要求也不尽相同。由于本装置中的信号处理机理就是基于光源的能量，能量的稳定性会直接影响信号的输出精度，所以这种应用对于光源的稳定性要求是比较严格的。对于炮口变形量的测量，结合前面提到的探测器的工作机理，光源的稳定性是应该重点考虑的问题之一，同时，用于该测试系统中的光源还应该就实际坦克平台的应用环境，考虑抗冲击、外形尺寸、质量、高低温以及三防等环境指标要求[10]。在参考探测器使用说明和以往使用者的经验后，我们选取出瞳功率为2.5 mW的红外光激光器作为测试选用光源。主要技术特性参数如表2所示。

表2 选型激光器的主要参数Table 2 Main parameters of selected laser

2.3 光学设计

在激光器型号确定以后，激光发射通道的关键就是保证出射光点有好的能量集中性和光斑均匀性。因此，一般在光源出射前端设置一个激光光束调节、整形系统，来实现其对出射激光光束发散角或者直径调节功能，即光束在传播一定距离后，其直径可以调节到进行测试所需要的比较理想的尺寸要求。这一系统应该和激光器固连，集成为一个整体，满足光轴平行性要求，同时在结构设计上充分考虑实际应用当中的操作方便性。应该指出的是，在标定过程中，应该摸索系统中激光能量的集中性和系统的信噪的匹配问题，做到最优化。

由于系统采用非接触式测量，将炮口的光点反射信号转换为电信号，接收光点的质量，包含光点的大小和光点能量的均匀性等指标将直接影响着光点位置测量的精度，因此，光点接收系统的光学设计应考虑以下因素：

1) 为了较好地消除PSD器件的边缘效应，系统中应有相关的汇聚系统。

2) 为了提高信噪比，消除杂光的影响，光路中应该对其他波段的光进行窄带滤光处理。

2.4 系统总体结构设计

系统的结构总体设计应该充分考虑光学功能、密封性能、电磁兼容、结构紧凑、经济合理、质量要求以及比较恶劣的应用环境等综合因素。图3就是自动校炮装置的实物图，基于该系统的特殊性，我们从以下方面考虑：

1) 首先要考虑的是工作环境恶劣，要求有足够的强度和耐冲击力，然后保证光学和电气系统工作正常，发射光轴和接收光轴的平行性要求在0.1 mm，PSD的安装面垂直度要求在0.02 mm，在综合考虑了质量、安装精度等要求后，选用金属铸铝铸造壳体，并选用快速成型工艺保证其精度，最后将总质量控制在5.0 kg之内。

2) 密封性设计是采用光学产品成熟的设计技术——在连接部位用硅橡胶与O形密封圈相结合，并在精加工前采取真空浸胶处理，来达到该系统的密封性要求，要求充满干燥氮气35×103kPa，并在5 min内无明显泄露，试验结果证明，结构设计中密封性设计合理可靠。

图3 装置实物图Fig.3 Device photo

3 试验结果与分析

对在不同射角α(表3中按照炮兵实操方式给出了α的密位值)的二次修正情况进行了摸底试验，修正量β数据流的统计结果见表3。

表3 不同射角自动校炮测试数据Table 3 Automatic correction of artillery test data at different shooting angles

试验结果表明，在综合考虑初始位置修正量的情况下，不同射角完全可以根据以上数据流进行二次修正，提高射击精度。实际使用结果表明，相比传统的校炮方式，这种自动校炮方式具有速度快，自动修正无需人工干预的特点，且在不同射角时，都可以有效提高射击精度。

本装置对某新型主战坦克的炮管因炮管的自重和炮管的热变形带来的炮管变形量进行了初始位置的模拟测试，并将数据提供给火控计算机，火控计算机对输入参数乘以理论指导校正系数K=0.75±0.05，然后对射击参数进行修正，可以实现对火炮射击0.1 mil级的精确修正,达到较好的自动校炮效果。

4 结论

本文提出了一种新型器件PSD在自动校炮技术中的应用，阐述了比较详细的工程实现过程，并给出了原理样机结构。经过试验验证，在车内工况下,该装置能够对各种原因引起的炮管弯曲变形进行准确测量和有效参数修正，给火控计算机提供可靠的校炮数据，提升坦克火炮的校炮效率和射击精度,特别是首发命中率。相对于可拆卸式校炮装置，该装置实现了坦克火炮校炮的自动化和智能化,达到了对于射击精度的0.1 mil级校正，可以在其他多种口径的火炮中推广应用，具有非常广阔的应用前景。

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