高精度白光与微光瞄具零位走动量检测技术研究

王莹，王劲松，崔士宝，安志勇

（长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022）

高精度白光与微光瞄具零位走动量检测技术研究

王莹，王劲松，崔士宝，安志勇

（长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022）

针对白光瞄具前加设微光镜组而成的组合式瞄具零位高精度检测需求，研究了一种可检测组合式瞄具纯零位变化及微光镜组光轴走动量的光电检测方法。该方法采用CCD相机测量组合式瞄具总的零位变化量，双自准直仪对组合式瞄具装卡产生的误差和微光镜组装卡产生的调整架姿态变化进行定量检测，并从CCD测量值中予以剔除，最终得到组合瞄具的纯零位变化以及微光镜组的光轴走动量。阐述了检测理论模型，并设计了测量实验。研究结果表明：白光瞄具的纯零位走动量测量精度σ值不大于2.16″（0.01 mil）；微光镜组的光轴走动量测量精度σ值不大于21.6″（0.1 mil）.

兵器科学与技术；组合式瞄具；零位变化量；双自准直仪

0 引言

瞄具是武器装备中不可或缺的装置，其零位走动量（即瞄准基线变化量）是影响武器射击准确度的主要因素，是瞄准镜实验必须要检测的项目之一，也是评价瞄具稳定性的重要指标［1］。本文涉及的微光瞄具是在白光瞄准镜前附加微光镜组组合而成［2］，因此需要检测白光瞄具的零位走动量和微光镜组的光轴走动量，产品的设计和生产要求掌握的变化量，即不包括白光瞄具和微光镜组的重复装卡误差。据调研，目前针对此种组合式微光瞄具的零位走动量检测，都包含重复装卡误差，不能提供纯的零位走动量［3］。考虑到瞄具设计、生产和实验的需求，有必要对其展开研究。

1 测量原理

1.1 瞄具重复装卡误差的剔除

测量瞄具的零位走动量必须建立一个无限远的基准目标，通常采用平行光管来模拟［4］。如图1所示，平行光管分划板Rg的分划O在瞄具分划R0上的像为B，而瞄具分划板中心O0对应的物空间点为平行光管分划板上A，由图1中几何关系可知：

图1 数字读数式零位走动量测量原理图Fig.1 Digital measurement principle of sight line alteration

式中：O′A′为平行光管分划在CCD光敏面Rc上的像与瞄具分划板中心对应在像空间上的像A′之间的距离，可以由CCD采集并经图像处理求得；为平行光管物镜焦距，为CCD物镜焦距，可事先检测出来；Γ为瞄具的放大率，代入（2）式即求得总的零位走动量θ.此结果既包括纯粹的瞄具零位走动量β又包括瞄具重复装卡误差α，则瞄具的纯零位变化量为

图2 剔除重复装卡误差原理图Fig.2 Measurement principle of rejecting repetitive positioning error

实现方法如图2所示，光电自准直仪分划板Rg中心O经半反半透镜组件B反射，在光电自准直仪CCD像面Rgc上的像为O′，瞄具重复装卡后机械轴线与检测系统主光轴的夹角（即瞄具的重复装卡误差）为α，由几何关系可知：

式中：O′Ogc为光电自准直仪分划板中心经半反半透镜组件在光电自准直仪CCD像面的像与瞄具分划板中心对应在光电自准直仪CCD像面上的偏移距离，可以由光电自准直仪读出；为光电自准直仪物镜焦距。则α值可在（1）式的θ中予以剔除。

1.2 微光镜组装卡误差的剔除

检测组合式微光瞄具（白光瞄具+微光镜组）时，CCD采集的数据中包括三部分：1）白光瞄具零位走动量；2）微光镜组的光轴走动量；3）微光镜组装卡误差。对于微光镜组的装卡误差，包括微光镜组的重复装卡误差及微光镜组装卡时调整架姿态的变化。则微光镜组的光轴走动量为

实现方法如图3所示，光电自准直仪2分划板Rg1的中心O1经半反半透镜组件在光电自准直仪2的CCD像面Rgc1上的像为，微光镜装卡组后平面反射镜M与光电自准直仪2光轴垂直面的夹角为φ，由图3几何关系可知：

图3 装卡微光镜组误差的剔除原理Fig.3 Measurement principle of rejecting the installing error of shimmer lens

2 实施过程

由上述测量原理，设计测量系统如图4所示，光电自准直仪1、2装卡到悬臂梁组件上。调整CCD相机调整架，使光电自准直仪1的十字刻线在CCD视场的中间位置。白光瞄具安装在调整架上，调整调整架使白光瞄准具十字分划线与光电自准直仪1的十字分划接近重合。调节平面反射镜二维调整架，使光电自准直仪2的十字刻线经过平面镜反射的像与原光电自准直仪2的十字刻线重合，锁紧平面反射镜二维调整架。

2.1 瞄具的纯零位变化测量

白光瞄具装卡到调整架上，记下此时从CCD中采集的白光瞄准具十字刻线相对于光电自准直仪1十字刻线的偏移量θX0、θY0，以及光电自准直仪1经过半反半透镜反射的十字刻线与光电自准直仪1原十字刻线的偏移量αx0、αy0.

对实验后的白光瞄具进行重新装卡，记下此时从CCD中采集的白光瞄准具十字刻线相对于光电自准直仪1十字刻线的偏移量θX1、θY1，以及光电自准直仪1经过半反半透镜反射的十字刻线与光电自准直仪1原十字刻线的偏移量αx1、αy1.由（4）式得到白光瞄具的纯粹零位走动量ΔβX、ΔβY分别为ΔβX=（θX1-θX0）-（αx1-αx0），ΔβY=（θY1-θY0）-（αy1-αy0）.

图4 系统三维图Fig.4 Three-dimensional diagram of system

2.2 微光镜组光轴走动量的测量

将微光镜组装卡于白光瞄准具的前端，记下此时从CCD中采集的白光瞄准具十字刻线相对于光电自准直仪1十字刻线的偏移量，光电自准直仪1经过半反半透镜反射的十字刻线与光电自准直仪1原十字刻线的偏移量，以及光电自准直仪2经过反射镜后的十字刻线与光电自准直仪2原十字刻线的偏移量φx0、φy0.

将微光镜组单独拆卸，进行实验后对其重新装卡，记下此时从CCD中采集的白光瞄准具十字刻线相对于光电自准直仪1十字刻线的偏移量，光电自准直仪1经过半反半透镜反射的十字刻线与光电自准直仪1原十字刻线的偏移量，以及光电自准直仪2经过反射镜后的十字刻线与光电自准直仪2原十字刻线的偏移量φx1、φy1，由（7）式得到微光镜组的光轴走动量ΔγX、ΔγY分别为

3 实验及数据分析

3.1 白光瞄具的纯零位变化量的测量

实验装置如图5，本实验使用的白光瞄准镜零位变化量小于0.1 mil.将经射击等实验后的白光瞄具重复装卡，记录每次CCD采集的θX0、θY0以及光电自准直仪1的读数αx0、αy0，如表1和表2所示。其中序号i为0表示首次装卡时CCD采集的数据及光电自准直仪的读数，即未产生重复装卡误差时的数据。Δαx、Δαy为每次实验结果与序号0实验读数的差值，即重复装卡误差。

图5 实验装置图Fig.5 Schematic diagram of experimental set-up

实验所得数据测量精度σ=2.03″，测试数据可靠，完全达到当前产品零位变化量小于2.16″（0.01 mil）的要求。实验及结果证明本文所用方法可行［5］。

表1 实验数据（X轴）Tab.1 Experimental data（X-axis）

表2 实验数据（Y轴）Tab.2 Experimental data（Y-axis）

3.2 微光镜组光轴走动量的测量

在上述实验的基础上，选用光轴走动量小于1 mil的微光镜组进行实验。调整架上安装反射镜，光电自准直仪2对准反射镜，白光瞄具置于调整架上不变，反复安装经射击等实验后的微光镜组，记录每次装卡后CCD采集的，以及光电自准直仪1的读数，光电自准直仪2的读数φx0、φy0如表3和表4所示。

表3 实验数据（X轴）Tab.3 Experimental data（X-axis）

表4 实验数据（Y轴）Tab.4 Experimental data（Y-axis）

由实验数据中可以得出σ=12.3″，测试数据可靠，达到当前产品对微光镜组光轴走动量小于21.6″（0.1 mil）的要求。

3.3 误差分析

造成误差的主要因素有以下4点：

1）调校误差。在调校过程中由于人眼的对准误差，CCD像面不与物镜像面完全重合，且不垂直于光轴。

2）CCD及光电自准直仪的读数误差。在CCD读数过程中由于CCD感光像元存在大小及间距，而采用二值化处理所引入的误差。

3）瞄具机械轴与光轴的不重合度误差。在瞄具加工、装配过程中，由于瞄具各零件和透镜加工精度的限制及装配，会使瞄具机械轴线与光轴产生角度误差，即瞄具前端面不垂直于光轴。

4）半反半透镜的重复贴合误差。由于半反半透镜的对准需要与瞄具前端面进行接触，前后两次贴合的不一致所引起的误差。

4 结论

采用双自准直仪方法实现对微光瞄具的零位进行高精度检测。剔除了白光瞄具重复装卡误差，微光瞄具装卡产生的误差和重复装卡差异进行定量检测。构建了实现检测的理论模型，并针对白光瞄具重复装卡误差和微光镜组装卡产生的误差及微光镜组装卡对调整架影响进行了检测实验，得到瞄具的纯零位走动量和微光镜组的光轴走动量。结果表明，双自准直仪法可以有效剔除上述各种误差的影响，实现秒级精度检测。

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［1］王永仲.现代军用光学技术［M］.北京：科学出版社，2003. WANG Yong-zhong.Advanced military optics［M］.Beijing：Science Press，2003.（in Chinese）

［2］张鸣平，张敬贤，李玉丹.夜视系统［M］.北京：北京理工大学出版社，1993. ZHANG Ming-ping，ZHANG Jing-xian，LI Yu-dan.Night vision system［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，1993.（in Chinese）

［3］吕溥，韩国华，张艾莉，等.高精度瞄准镜零位走动量检测研究［J］.激光技术，2013，37（3）：404-408. LYU Pu，HAN Guo-hua，ZHANG Ai-li，et al.Study on measurement of sight-line alteration of high precision sighting telescopes［J］.Laser Technology，2013，37（3）：404-408.（in Chinese）

［4］王劲松，安志勇，李海兰.反射式平行光管的红外瞄具零位走动量测量方法研究［J］.兵工学报，2010，31（11）：1422-1425. WANG Jin-song，AN Zhi-yong，LI Hai-lan.Research on the measuring method to the IR aiming sight's line alteration of reflection type collimator［J］.Acta Armamentarii，2010，31（11）：1422-1425.（in Chinese）

［5］马宏，王金波.误差理论与仪器精度［M］.北京：兵器工业出版社，2007：44-58. MA Hong，WANG Jin-bo.Error theory and instrument precision［M］.Beijing：Publishing House of Ordnance Industry，2007：44-58.（in Chinese）

Study of High Precision Zero Point Momentum Detection Technology for White and Shimmer Light Sight

WANG Ying，WANG Jin-song，CUI Shi-bao，AN Zhi-yong
（School of OptoElectronic Engineering，Changchun University of Scieence and Technology，Changchun 130022，Jilin，China）

For the requirements of the sight line alteration detection of the combined sight adding a shimmer lens group to the white sight，a high-precision measurement method can be used to measure the true sight line alteration of combined sight as well as the optic axis variation of shimmer lens group.In the method，a CCD camera is used to measure the total sight line alteration，and the errors caused by assembling the combined sight and the attitude change of adjusting bracket caused by assembling the shimmer lens group are quantitatively measured using a dual-auto-collimator，which are eliminated from the measured values to get a true sight line alteration.A theoretical detection model is presented，and the measuring experiment is made.The results show that the measured value of sight line alteration σ is less than 2.16″（0.01 mil）；the measured value of the optic axis variation of shimmer lens group σ is less than 21.6″（0.1 mil）.

ordnance science and technology；combined sight；sight line alteration；dual-auto-collimator

TH745

A

1000-1093（2015）08-1481-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.015

2015-03-03

吉林省重点科技攻关项目（20150204044GX）

王莹（1991—），女，硕士研究生。E-mail：agaric1990@163.com；王劲松（1974—），男，副教授，硕士生导师。E-mail：soldier_1973@163.com；安志勇（1943—），男，教授，博士生导师。E-mail：an_zhiyong@126.com