基于CCD光电成像靶面的舰炮校靶装置设计与实现

程杰

摘要：CCD作为一种易于与计算机连接的传感器，在位移检测、光谱分析、自动控制等方面应用广泛，本文在介绍基于CCD光电成像靶面的舰炮校靶装置设计思路基础上，阐述了其组成及设计实现，详细分析了硬件系统的光学系统设计、照明系统设计和机械设计以及软件系统的设计实现途径。

关键词：CCD;舰炮校靶装置;设计与实现

中图分类号：TJ762.13文献标识码：A     文章编号：1007-9416（2018）09-0000-00

1引言

某型舰炮在实弹射击之前都要利用星体校对仪进行轴线一致性校准、修订，以检查舰炮机械零位的精度，达到预定的毁歼概率。传统星体校对仪存在测量误差较大、便携性不好、保障要求高、维护与保养不方便等诸多不足。因此，研制基于CCD光电成像靶面的具备校星、校标双重功能的新型舰炮校靶装置，可以弥补传统星体校对仪存在的缺陷，提高某型舰炮机械零位检查调整的精确度、可靠度和便携性。

2设计思路

首先根据舰炮校靶装置工作原理进行光学系统的设计。利用CCD技术在物镜组与目镜组之间加入CCD电荷耦合器件，使用CCD接收星点与光学系统中十字叉丝的对准信息，并通过传输电缆将视频信号实时传递到平板显示器，以便观察调整。这一设计能有效减少光学信号的衰减，减轻设备的体积与重量，并使成像效果更加清晰。其次通过光学设计软件进行光学系统的加工与调试，依据JB/T8226.6-1999#标准进行光学镜片的加工和镀膜，依据JB/T5213-2006#标准对光学系统本体进行精密加工和镀铬处理，加装定位卡簧，以确保光学系统装进身管后的同轴性和稳定性。接下来完成初样机的加工与组装。在光学系统加工完成后，通过加固接头完成光缆、平板显示器、蓄电池的组装，形成完整的舰炮校靶装置。最后完成相关配套软件的开发。根据舰炮校靶装置白天校标以及夜晚校星的工作原理，研究校标误差产生的原因，设计出校标与校星误差的计算算法，采用C#语言编写校标与校星误差的自动解算程序，完成相关配套程序的开发，实现软件自动解算舰炮机械零位误差的目标。

3组成及设计实现

3.1组成

舰炮校靶装置主要由硬件系统和软件系统两大部分组成。舰炮校靶装置组成框图如图1所示。

3.2硬件系统设计

（1）光学系统设计。光学系统正是通过CCD技术把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由光学系统内部的快速存储器保存，再把数据传输给CRT显示器。无穷远星点光通过望远镜后成像于分划板分划面，两者通过后组成像镜头成像于CCD靶面，星点在分划板的位置信息的视频信号通过视频信号线传输到CRT显示器上。设计舰炮校靶装置光学系统的过程中，确定系统焦距f和物镜口径D，选定光电探测器，光学系统的基本性能参数包括焦距f、相对孔径D/f和视场角2ω和最小分辨率随之确定，此外，为了控制视场，在望远物镜焦面处添加视场光阑以及光学分划板，通过物镜焦距以及分划板来确定对应视场值，探测器靶面应与实际像面匹配。光电探测器的选择是光学系统设计的关键，根据采用的光电探测器件的不同，可分为光敏电阻式、PSD器件、CCD器件（包括线阵和面阵CCD）等类型。选择CCD的过程中，与光学系统设计有关的两个主要参数是靶面面积和像元尺寸，测角范围与靶面面积有关，同时像元尺寸直接决定了光学系统的最小分辨率，因此也将影响舰炮校靶装置的测量精度。最终系统像面的MTF函数如图2所示。

（2）照明系统设计。由于舰炮校靶装置主要是在夜晚使用，那么系统的光通量不足会使得光学分划板看不清楚，所以只有正确设计照明系统，才能最可靠、最有效的满足其工作需要。从校靶星的设计角度出发，照明光路中选择光源时应该考虑以下几方面的因素：光源的发热特性：光源的发热量过大会引起仪器结构的形变，降低测量精度;光源的功率大小能满足舰炮校靶装置对中心系统和CCD靶面的照度要求;照明系统设计的复杂性在于不同的光源特性（发散角和光度特性）所要求的照明系统复杂度不同;具体包括供电系统、使用寿命以及经济性。传统的照明光源采用白炽灯或卤钨灯加滤色片的形式，但是这两种光源发热量大，舰炮校靶装置过多的热量会引起仪器结构的形变，直接影响测量精度。本设计中选择高性能LED作为照明光源。高性能LED是一种体积小、发光效率高的冷光源。同时，选择乳白玻璃对光源出射照度进行匀化。为方便系统携带使用，尽量将系统小型化，选用纽扣电池对LED光源供电。照明光路中通过添加小孔以及乳白玻璃来调整光通量和光照度的均匀性。

照明系统的设计要求包括：

①保证被照物面—分划板的照度均匀性及照度大小;

②照明系统的像方孔径角不小于成像系统的物方孔径角;

③尽可能减少杂光，在光电接收系统中，杂光会降低成像的对比度;

④符合结构布局及尺寸要求。

最终，设计的照明系统能在星空环境下清晰的呈现星点像以及光学分划板像质。

（3）机械设计。机械设计中重要指标是舰炮校靶装置外形导杆与炮膛内径的配合精度以及同轴性精度，为了确保1个密位的精度，外形尺寸加工为6级公差，所有机械加工完毕，用三坐标对其公差进行测量，考虑到舰炮校靶装置会多次插入炮膛，对机械外形件进行镀硬铬处理，使得外形不容易划伤。系统装调过程中，将系统光学轴线与机械轴线调整一致，控制两者误差在1个密位以内。舰炮校靶装置结构示意图如图3所示。实际操作时，将舰炮校靶装置光学镜筒插入炮膛后，對准要观测的星点，此时照明系统将内置分划板刻画面照亮，星点像和分划板通过后继成像系统成像于CCD靶面，CCD将成像信息传递到CRT显示器，通过判断星点像与分划板十字刻线的方位来读取雷达与舰炮方位的误差。其中舰炮校靶装置的光学视轴与光学镜筒的外圆机械轴已经在装调时调整一致，误差控制在1个密位以内。

3.3軟件系统设计

舰炮校靶装置软件系统设计采用标准编程语言C#，通过VisualStudio2010图形编辑与生成工具完成图形化的人机交互界面，数据库软件采用SQLServer2005。软件的组成主要包括校标分系统、校星分系统和数据库软件。

误差计算按照规定分别输入火控雷达观测的目标（星星）方位角数据、高低角数据以及通过舰炮校靶装置观测的目标（星星）方位角数据、高低角数据，软件自动解算出舰炮武器系统机械零位误差值。

数据统计的实现是软件对每次计算的误差值自动记录，形成数据库，数据可随时调取。

数据纠错的实现是个别输入的目标（星星）方位角数据、高低角数据可能因为操作错误等原因导致数据错误或误差超过规定值，软件自动剔除这些数据，确保解算误差值的可靠性。

4结语

基于CCD光电成像靶面的舰炮校靶装置可以在昼夜条件下便捷的完成舰炮机械零位误差检查，提高了检查精度和自动化程度，有效缩短了舰炮武器系统技术准备的时间。

参考文献

[1]舒长胜.舰炮武器系统应用工程基础[M].北京：兵器工业出版社，2014.

[2]石晨光.舰炮武器原理[M].北京：国防工业出版社，2014.

[3]黄士亮.舰炮试验与鉴定[M].北京：国防工业出版社，2011.

[4]张相炎.火炮自动机设计[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

Design and Realization of The warship Cannon Rectify Target Installation

on CCD Photoelectricity Picture Target Surface

CHENG Jie

（Dept. of Ordnance， Naval Scholar Official School， Bangbu Anhui 233012）

Abstract： CCD is a kind of sensor that is easy to join with computer， It is extensive to reign to move the aspect applications such as displacement detection， spectrum analysis and automatic control. In the case of introduce the design ideas of the warship cannon rectify target installation on CCD photoelectricity picture target surface， The form and design realization of the installation has been elaborated. The design of the hardware system and the software system has been analysed in detail. The design of the hardware system includes the optical system design， the illumination system design and the mechanical design.

Keywords： CCD;the warship cannon rectify target installation