火控跟瞄动态性能测试技术研究

姜会林， 王春艳， 赵义武， 王晓曼， 娄岩

(1.长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心， 吉林 长春 130022；2.长春理工大学 空地激光通信技术重点学科实验室，吉林 长春 130022；3.长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022; 4.长春理工大学 电子信息工程学院， 吉林 长春 130022)



火控跟瞄动态性能测试技术研究

姜会林1,2， 王春艳3， 赵义武1,2， 王晓曼4， 娄岩1,2

(1.长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心， 吉林 长春 130022；2.长春理工大学 空地激光通信技术重点学科实验室，吉林 长春 130022；3.长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022; 4.长春理工大学 电子信息工程学院， 吉林 长春 130022)

火控系统是现代武器的核心，主要完成目标搜索、瞄准、跟踪、测距，自动提供弹道修正量，解算射击诸元、装定射角，并控制射击。火控动态系统性能的准确测试和动态校正十分重要。提出了光电法测试火控动态性能的思想，重点论述了光学动态跟瞄的原理与方法，并简述了研制成果的应用效果。

兵器科学与技术； 火控系统； 动态检测； 光学设计

0　引言

现代战争要求武器在行进中首发命中，且反应时间短，即打得准，打得快。而我国装甲车辆等武器的动态命中率低，如三代改进型车辆动对动射击的命中率比静对静低20%多。影响武器动态命中率的一个主要原因是缺乏对火控动态性能的准确测量和动态校正的手段(以往主要靠实弹射击，精度差、效率低、费用高)[1]，已成为制约我军战斗力和生存能力的瓶颈。全面准确测试火控动态性能的主要难度在于：被测对象往往工作在强颠簸、强振动、大角加速度(700～800°/s2)运动中，而且处于烟雾、沙尘、气候多变的环境中。如何在这样的高动态、恶劣环境状况下实现火控性能的高精度测试，这是本文要讨论的主要问题。

1　总体设计思想

针对以往测试火控动态性能存在的弊端，以及恶劣环境给测试造成的困难，提出了光电测试方法：在武器平台上安装四路光学装置(简称为四镜)，相对于被测对象构建了“三线”，即瞄准线、基准线、炮轴线。测量这“三线”的动态误差，即反映出火控系统的动态性能[1]，从而代替了以往的“实弹射击”。

首先要建立基准。炮轴基准线(基准线获取装置产生)是原始基准；炮口处炮轴线(炮轴线产生装置产生)是设计基准(决定弹道)；炮长瞄准镜的瞄准线(瞄准线获取装置产生)是控制基准(控制炮管)；基准线(过渡基准线获取装置产生)是过渡基准。

上述的四路光学装置的安装位置分别是：瞄准线获取装置(JM)安装在炮长瞄准镜目镜上(为不影响泡状观察，用分光镜实现)；基准线获取装置(JT)安装在炮膛内药室处、过渡基准线获取装置(JJ)安装在炮管外侧根部起始段，炮轴线获取装置(JK)安装在炮口处。这四路光学装置在武器平台上的安装情况如图1所示。

图1　“四镜”、“三线”示意图Fig.1　Schematic diagram of “four mirrors” and “three lines”

四路光学装置与无线传输分系统、图像处理分系统、车载控制分系统、主控电箱及工程方舱等一起，组成了新一代的光电法火控动态性能测试系统。如图2所示。

图2　测试系统组成图Fig.2　Test system configuration

2　测试项目与方法

2.1测试项目及其与测试装置的关系

测试项目及其与测试装置的关系如表1所示。

表1　测试项目与测试设备关系

注：√表示测试时使用该设备；⊙表示配合使用

2.2测试项目分析举例

2.2.1瞄准线零位走动量测试

首先使用校炮镜校正炮长瞄准线和火炮轴线，将二者交汇于校炮靶十字线。

然后取下校炮镜，将JT插入炮膛内导向部起始段，通过操纵台使瞄准线对准靶标十字线，记录JT十字线相对靶标十字线的偏差量。

射击后再将JT插入原来位置，通过操纵台使瞄准线对准靶标十字线，记录此时JT十字线相对靶标十字线的偏差量。

两次偏差量之差，即为瞄准线零位走动量。

2.2.2火炮装定角精度测试

首先将车辆(坦克等)停放在水平地面上，用靶标去校正炮轴线、瞄准线和基准线(JJ产生)；再根据弹种(穿甲弹、破甲弹、榴弹等)和环境设置参数(药温、气温、风向、海拔高度、靶标与车辆的相对运动速度等)，并输入射击距离。

然后车辆处于行进状态，靶标处于静止状态。炮手通过炮长瞄准镜瞄准目标，并按程序要求进行瞄准(不射击，只是模拟射击)，火控计算机输出各射击诸元，火控动态性能测试系统记录图像。对记录的图像进行处理和判读，确定瞄准线和基准线(JJ产生，安装在炮管外部炮根起始段)相对靶标十字线的偏差量(分高低向、方位向)及其对应的时刻。相同时刻的偏差量即为实际的射角(垂直向装定角)和提前量(水平向装定角)。

最后将实测的射击诸元(由火控动态性能测试系统记录的)与火控计算机输出的射击诸元相减，即获得火炮装定角精度(跟踪误差的表现形式与装定角精度不同，是通过软件剔除的，不算在其中)。

2.2.3稳定器稳定精度测试

首先将车辆(坦克等)停放在试验道路起点，以炮轴线为基准，校正基准线(JJ产生)和瞄准线(JM产生)。然后车辆行进，车辆达到规定的行驶速度后，炮长通过JM瞄准靶标十字线，炮控系统独立工作，火控动态性能测试系统开始记录图像。

再对多次记录的图像进行判读，并给出基准线在高低向和方位向随时间变化的偏差曲线，再用最小二乘法求出均方差，即为稳定器的稳定精度。

3　动态跟瞄技术

火控动态性能测试的精度，主要取决于测试过程中的动态跟瞄精度。采取的措施主要体现在获取“三线”的四套装置上。

3.1基准线获取装置

其作用是标定炮膛根部的炮膛轴线。为了使JT的光学轴线和炮膛轴线在动态情况下保持一致，利用动态光学原理进行设计。

在光学系统中，角放大率等于1的一对共轭面，称为节平面；节平面与光轴的交点称为节点。

当光学系统绕通过像方节点(也称后节点)的垂直轴转动时，如果一束平行光射向系统，其通过像方节点的出射光线一定平行于入射光线，且出射光线的像点位置也不会因系统的转动而发生变化。

当物体处于无穷远时，上述结论成立。但是当物体不在无穷远时，能否找到具有上述性质的点呢？为此，本文引入了“等效节点”的概念[2]。

等效节点：透镜或透镜系统绕其J0转动，使像点保持不动的J0点。如图3所示。

有下列关系：

式中：β0表示光学系统的垂轴放大率。

当物体在无穷远时，等效节点与像方节点重合；物体在物方焦点上时，则等效节点与物方节点重合。

根据上述分析，设计了一种同轴定位机构，其剖面如图4所示，其原理如图5所示。通过机械支撑，将等效节点所在平面及像平面固定在炮膛内壁上，无论炮管如何颠簸振动，目标的像点始终保持在像面上位置不变。

图4　同轴定位机构剖面图Fig.4　Cutaway view of coaxial positioning mechanism

图5　轴- 孔轴线确定原理示意图Fig.5　Hole-axis determination

采用上述原理设计结构，并采用高精度的加工、检测与装调方法，实现了光学轴线与炮膛轴线的动态高精度同轴(优于5″)，而且重复装卡精度优于7″，从而为火控动态性能的高精度测试奠定了基础。

3.2炮轴线获取装置

JK安装在炮口处，以炮口处内膛定位，它表征了炮弹射击的方向。其光学系统的瞄准轴应该和炮口处炮膛线重合。为此设计了如图6所示的光机结构和图7所示的光学系统。

图6　嵌入式无线校炮装置光机结构图Fig.6　Opto-mechanical structure of flush-bonding wireless gun calibration device

图7　炮轴线获取装置光学系统Fig.7　Optical system of checking gun

JK的定位面连线表征了炮口处的炮膛轴线。在JK转动过程中，其定位面应始终保持和炮膛接触(靠弹簧的作用)。考虑悬臂梁作用，弹簧力应该足够。为此利用杠杆原理，用连杆机构，将JK装入炮口时，弹簧压缩，免于划伤炮膛和磨损定位面；装入后再将弹簧升起，保证定位面始终和炮膛接触[3]。炮轴线获取装置可实现CCD接收与目视观测。

3.3过渡基准线获取装置

JJ装在炮根部的炮管外，本文设计的系统如图8和图9所示[4-5]。

图8　过渡基准线获取装置光机结构Fig.8　Opto-mechanical structure of transition baseline acquisition device

图9　过渡基准线获取装置光学系统Fig.9　Optical system of gun tube axis acquisition device

JJ能够实现目视系统与CCD同时接收分划板的像。

为了保证过渡基准线与校炮轴的平行，在安装时应按下面要求进行。

首先将JK插入炮口，在其前部放置调校装置，如图10所示，由直角棱镜DI-90°和直角屋脊棱镜DIJ-90°构成。光源经JK目镜后照亮JJ的分划板，再经调校装置成像在JJ的CCD上。由于调校装置的动态成像特性是空间任意轴转动均不产生像偏转，所以只要将其放置在JK之前即可。若JK和JJ的瞄准轴平行，则JK分划板十字线中心就会准确成像在JJ的电十字线中心，从而可以保证JJ的瞄准轴和炮膛轴平行。

图10　过渡基准线获取装置安装图Fig.10　Installation drawing of the transition baseline acquisition

3.4瞄准线获取装置

JM是在炮长瞄准镜目镜后方加一分光棱镜，将30%的光反射到双胶合透镜上，被CCD接收，如图11所示。这样，在不影响炮长瞄准的基础上，在CCD上提取瞄准线的信息。

图11　瞄准线获取装置光机结构Fig.11　Opto-mechanical structure of line-of-sight acquisition device

火炮瞄准镜采用了光学稳像系统，它是在火炮机械稳定的基础上进行的二次稳定。

入射光线不变，炮长瞄准镜观瞄系统整体偏移θ，从直角棱镜出射的光线相对于竖直方向偏2θ(相对于法线方向为θ)，经过-2×望远系统，入射光线相对于法线方向为2θ(相当于竖直方向为θ)，经五棱镜后出射光线相对于法线方向为2θ(相当于水平方向为θ)，而等腰棱镜由稳定陀螺固定相当于位置不变，则入射到等腰棱镜的角度为θ. 经等腰棱镜出射光线相当于法向(水平方向)为θ，而炮长瞄准镜观瞄系统整体向上偏移θ，所以相当于出射光线垂直进入炮长瞄准镜观瞄系统。

对于下反式稳像系统，用陀螺仪稳定120°棱镜。当坦克颠簸时，镜身主体随之摆动。如图12所示，来自目标的入射光束(即瞄准线)，经直角棱镜、-2×望远系统、五角棱镜，再经被陀螺仪稳定的120°棱镜后，其出射光束恰好与后续光学系统光轴同方向，因此炮手观察目标的像仍然是稳定的。

图12　下反式稳像系统使用示意图Fig.12　Schematic diagram of line-of-sight acquisition device

对于上反式稳像系统，要求瞄准镜镜体随车体颠簸时，成像保持稳定，为此，要求上反射镜转动的角度应是镜体转动角度的一半，如图13所示。上反射镜转动一半是由1/2机构来实现的。当瞄准镜镜体整体偏转γ，也就是原始光轴偏转γ. 入射光不变，经上反射镜反射后，出射光线偏转2γ(相对于竖直方向)，为保证出射光线与偏转后的光轴平行，需调整上反射镜反方向转动γ/2，则出射光偏转γ，这样就可以使出射光线垂直进入成像系统内。

图13　上反式稳像系统工作状态示意图Fig.3　Operating state of upper-reflection image-stabilized system

4　应用与对比

利用本文提出的思想与方案，设计并研制了测试系统，在国内首次实现了运动平台上火控动态性能全部指标的实时、高精度测试，测量项目全，精度高，速度快。本系统与原有测试能力比较，见表2所示。

表2　本系统与原有测试能力比较

本系统已经在陆军、海军、空军以及相关科研与生产单位应用，均获得了满意的效果。不仅测试精度很高，而且对武器火控系统进行了动态校正，提高了射击精度。国家有关部门已将此成果确定为国家标准。

火控动态性能测试系统的研制成功，为提高武器的首发命中率和缩短反应时间发挥了重要作用。

References)

[1]朱竞夫，赵碧君.现代坦克火控系统[M].北京：国防工业出版社，2003.

ZHU Jing-fu, ZHAO Bi-jun. Fire control system about modern tank[M]. BeiJing: National Defense Industry Press, 2003. (in Chinese)

[2]王志坚.光学工程基础[M].北京：国防工业出版社，2005.

WANG Zhi-jian. The principle of optical engineering[M]. Beijing: National Defensse Industry Press，2005. (in Chinese)

[3]姜会林.关于光学稳象问题的探讨[J]. 长春光学精密机械学院学报，1984(4):1-12.

JIANG Hui-lin.An approach to optical image stability[J]. Journal of Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, 1984(4): 1-12. (in Chinese)

[4]姜会林.关于二级光谱问题的探讨[J].光学学报，1982, 2(3):225-232.

JIANG Hui-lin. On the secondary spectrum[J]. Acta Optica Sinica, 1982, 2(3): 225-232. (in Chinese)

[5]王春艳，姜会林.用于火控动态性能测试的多光轴光学系统[J].兵工学报，2011, 32(6):746-751.

WANG Chun-yan, JIANG Hui-lin. The multi-axial optical system study for fire control dynamic performance testing[J]. Acta Armamentarii, 2011, 32(6):746-751. (in Chinese)

Research on Tracking Technology of the Fire Control Dynamic Performance Test System

JIANG Hui-lin1,2， WANG Chun-yan3， ZHAO Yi-wu1,2， WANG Xiao-man4, LOU Yan1,2

(1.NUERC of Space and Optoelectronics Technology, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin，China； 2.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin，China； 3.College of Optoelectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China; 4.School of Electronics and Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China)

Fire control system is the core of modern weapons. The main functions of the system are target searching, singting, tracking, and rangefinding ranging. It provides automatically ballistic correction ballistic correction, multi-solver firing data, setting angle and fire control. Accurate test and dynamic calibration are very important for the dynamic performance of fire control system. The new ideas which use the opto-electronic method to test the fire control dynamic performance, and the principles and methods of optical dynamic tracking and pointing are discussed.

ordnance science and technology; fire control system; dynamic detection; optical design

2014-07-01

国家“973”计划项目(613225)； 国家自然科学基金重大培育项目(91338116)

姜会林(1945—), 男， 教授， 博士生导师。 E-mail: hljiang@cust.edu.cn

TH745

A

1000-1093(2015)04-0763-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.04.027