课程设计(论文)-零位仪的校正.docx

零位仪的装调

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二〇一六 年 11月

摘 要
目前我国的红外瞄准镜正处于第一代的推广使用阶段，其校正方式还是以传统的实
弹射击为主。这种方式不仅繁琐、耗时而且受环境因素影响大，严重影响部队的快速作
战能力。其次，激光指示器是安装在轻武器上，用于在夜间或者低照度环境下，快速准确瞄准近距离目标的一种光学瞄具。由于刚刚定型装备部队，到目前为止还没有有效便捷的检测设备用于其瞄准零位的校正。本文利用图像采集技术为其研发了一套数字化零位校正仪。
本文首先介绍了常用多光轴平行度校正的一些方法，对激光指示器的组成结构及
指示目标原理做了相关说明，并采用图像采集以及光斑中心定位技术制定了校正激光
指示器瞄准零位的总体设计方案。
本文在研究多光轴平行性检测技术的基础上，比较了几种常见的准直系统，并选用
牛顿全反射共轴光学系统作为理论依据，设计了一款红外瞄准镜专用的零位校正系统。
该系统通过设计机械插轴、辐射照明装置与准直系统共同提供无穷远红外基准目标。本文还探讨了校正系统的零位标定方法及原理，并完成了零位标定、误差分析、性能检测及部队鉴定实验。实验表明，该校正系统能够达到密位的校正精度要求，是一种能够全天候使用于多种口径枪族系列的便携式光电检测仪器。
本文其次介绍了常用多光轴平行度校正的一些方法，对激光指示器的组成结构及指示目标原理做了相关说明，并采用图像采集以及光斑中心定位技术制定了校正激光指示器瞄准零位的总体设计方案。

一、红外瞄准镜介绍及校正原理
1.介绍
随着热像仪的出现，战争打破了昼夜环境的束缚，使全天候作战成为了可能。釆用这种仪器士兵在夜间也能够看清或者距离更远的敌方目标，从而实行精确打击，一定程度上提升了作战效果以及自身的生存几率。目前热像仪可分为手持式和装于轻武器式两类，一般将能够安装于轻武器装备的热像仪统称为红外瞄准镜。红外瞄准镜按照工作原理不同，又可分为主动式和被动式两种。其中主动式红外瞄准镜依靠自带光源发射红外光照射目标，通过将目标反射的红外光线进行成像转换，获取可见光图像，主要在自然界温度低，红外线辖射能量小，不能满足仪器的成像要求时使用。这种红外瞄准镜最早诞生于第二次世界大战末期，德国和美国相继将其投入到战争中，均取得了意想不到的效果。1945年，由德国研制的型号为Zielgeraet299、代号为“vampire”的红外目苗准镜，在装配突击步枪后试用于战场时，一个班的兵力竟然把英国一个排的巡逻队消灭了大半，虽然特定地形发挥了巨大的优势，但是红外瞄准镜的作用却不可忽略。而作为另一个超级大国，美国则研制了型号为T-20的红外瞄准镜，该瞄准镜能够装配于M3卡宾枪，并在琉球岛登陆战中起到了关键作用。据消息称当时日军凭借复杂的地理岩洞优势，虽釆用昼伏夜出的作战方略，对美军进行阻击，但是一旦走出洞穴，便受到美军的猛烈打击，据不完全统计，一周之内日军的伤亡人数占总人数的30%之多，直接扭转了整个战局。由于红外猫准镜能够在很大程度上提升军队阴天及夜间的战斗力，因此世界各国均在大力发展红外瞄准技术。1964年美国萨克斯仪器公司率先研制了红外前视系统，该系统被公认为第一代红外成像装置，其设计原理是采用机械结构控制光学元件移动，对目标的红外福射图像进行分解扫描，并经过光电转换后在焚屏上显示，前该系统仍然使用于很多重要领域，包括坦克、军舰及飞机等武器装备。在六十年代中期出现了第二代红外成像装置，该装置根据检测需要在红外前视系统中引入了测温功能，只需通过观察目标即能检测其温度，解决了非接触式测温的难题，提升了热像仪的使用范围。七十年代时候出现了无需制冷的红外热电视机。到了九十年代出现了最新一代红外电视产品，该产品根据焦平面类型可分为制冷型和非制冷型，并能够在工厂中进行大规模生产，因此红外技术在该阶段中得到了空前的提高。而我出直至七十年代才组织国内技术专家对红外技术展开研究。到八十年代初期己掌握了进行长波光学元件的研制和生产方面的相关技术。八十年代末，中国研制了国内第一台实时红外成像样机，该样机有较高的灵敏度和温度分辨率。进入九十年代，中国在红外技术研究领域突破了多项关键技术，已能够自主研制低噪音宽频带前置放大器、微型制冷器等核心器件，并开始将红外技术逐步从实验运用到部队实践中去。新世纪以来国内已聚集了大量的尖端科技人才，对红外技术的研究已形成了一定的规模。但与发达国家相比，我国在该技术领域少落后10年以上。目前国外己开始研制第三代红外瞄准镜，而我国还处在第一代的推广使用阶段，今后还有很长的路要走，因此红外成像技术的研究需要我们这代人投入更多的分析与研究。

2.校正原理分析
高精度红外瞄准镜是枪械高命小率的保证，在不考虑风速、温度等外界环境因素干扰的前提下，猫准轴与枪轴夹角越小，枪械命屮率越高。

如上图所示，校正时将枪轴作为基准轴，根据弹着点B确定红外基准点A，A点与B点的距离等于瞄准轴与枪轴的垂直距离，由于红外瞄准镜离枪管很近，而且射出的子弹具有一定散布直径，因此A、B点间距离可以忽略不计，即点与B点位置重合。在确定基准点后，只需通过调节红外瞄准镜的方位与高低手轮，使其瞄准点与基准点重合即可。红外瞄准镜经校正后，理论上瞄准点与弹着点的相对位置和瞄准镜与枪管的相对位置相同，而对于有经验的狙击手而言，如果知道瞄准镜与枪管间的垂直距离，可以根据猫准点精确预估弹着点的位置，能够实现百发百中。
通常情况下红外瞄准镜观察距离远大于其物镜焦距，因此基准点可以近视看作无穷远目标。根据该结论，在校正瞄准轴与枪轴校平行时，只需要为红外瞄准镜提供无穷远的基准目标即可，而提供无穷远目标必然要构造平行光管。第一章节中我们已经讨论了全反射光学系统的优越性及其在红外检测领域的广泛运用，以此作为理论依据，设计的原理方案如下图所示。

位于焦平面处的分划板被照明后，光线通过主反射镜和次反镜构成的准直系统，向被校船准镜提供无穷远基准目标，该目标与校正仪组成一基准轴线，此基准线与枪管轴线平行，当被校瞄准镜分划中心准轴线重合时，则被校瞄准镜处于零位状态。

二、总体方案设计
瞄准镜常用的校正步骤如下：从枪械卡槽上卸下瞄准镜，安装至检测仪器卡槽上进
行校正，零位校正后，再将瞄准镜重新安装至枪械卡槽上。在这种校正方式中，即使机
械卡槽具有很高的重复精度，在经过多次反复安装与拆卸后，合成误差值将不再忽略不
计。本系统根据枪膛内部结构，设计能够直接与枪管连接的机械插轴，不需要拆卸瞄准
镜，即能进行校正。下图为系统框架图:

根据系统设计的原理方案，构建总体框架如上图所示。整个系统包括福射照明装置、全反射光学系统和机械插轴，机械插轴与全反射光学系统外部镜筒紧密相连。通过电池和外接电源分别为红外福射照明装置供电，能够产生红外、白光及微光照射分划板，从而将分划板图案模拟成不同波段类型的目标，适用于不同型号瞄准镜的零位校正。校时只需将机械插轴插入枪管，保证机械插轴与枪轴的一致性，通过设计机械插轴与全反射光学系统光轴平行，将枪轴的基准轴线转换成无穷远的基准标供瞄准镜校正使用。
红外瞄准镜零位校仪在方案设计过程中，主要突破了三项关键技术：①采用全反射光学系统，确保不同波长光程的一致性，实现了红外、內光及微光猫准镜的零位校正；②出射窗采用多光谱检测领域常用的硒化梓晶体材料，确保了部分可见光及红外波段均能透射，此外在该材料表面锻膜，在增加透射率的同时也提高了材料的化学稳定性；③辖射照明装置首次采用陶瓷材料作为红外辐射源，提供了目标与背景的温差，并利用材料正温度系数特性在居里点附近实现了目标温度的恒定。

三、激光指示器的校正
1．激光指示器介绍
95改进型步枪上使用的是QM/QMJ型激光指示器，该激光指示器主要是由激光指示器本体、枪镜连接机构、校枪调整机构、电源、电子幵关电路和引线开关等部件组成，全套组件如下图：

激光指示器本体选用的是波长650nm为的红色半导体激光器部件，功率约为5Mw,束散角小于1mrad，其在目标处形成的红色光斑能量集中、光斑小、瞄准精度较高。其在背景照度为1勒克斯环境下，有效作用距离约为100米。
电源釆用的是电压为3V的CR2型锂电池，该电池可以适应零下四十摄氏度的工作环境，连续工作时间常温下大于10小时，此外电子开关电路和引线幵关用来控制激光指示器的开关。
枪镜连接机构与一般枪族瞄具相同，釆用统一的“正顶式”连接方式，其包括连接基座、锁紧手柄及锁紧螺杆。连接基座为基础连接件，起到激光指示器与武器导轨之间的连接作用；锁紧手柄为操作件，实现人力传递给锁紧组件的功能，并可自动复位；锁紧螺杆提供锁紧力，通过锁紧手柄，锁紧螺杆与导轨平面做正顶运动，消除了激光指示器与武器导轨燕尾面之间的间隙并顶紧武器导轨，实现了确实锁紧功能。
激光指示器与步枪的安装连接如下图：

虽然枪镜连接机构带有锁紧装置，但是子弹击发过程中给枪体带来的强大冲击力以及枪体撞击硬物等都会对激光指示器的方向造成微小的偏移，偏移累积之后就会严重影响到激光指示器的瞄准精度。
所以为了保证射击精度，QM/QMJ激光指示器自身还带有校枪调整机构，其包括高低调整手轮与方向调整手轮，两个手轮位于激光指示器上位置如上图所示，通过调整手轮，可分别在两个相互垂直的方向上调整激光光束。该机构采用现瞄准镜常用的光学杠杆式调整机构，同时为减少射击时武器冲击带来的零位走动，高低、方向调整手轮上还设有零位锁定手轮。

2系统装配与标定
本系统属于光学检测仪器，光学仪器的装配一般分为两个步骤：第一步为零件组装将符合公差要求的零件按照图纸连接方式及工艺要求进行安装，完成整个系统的搭建；第二步为系统校正，主要调校光学系统的光轴、视差等。该检测系统的主体是物镜和单板机，物镜与机械零件连接，常用的固定方法有滚边法、压圈法、弹性元件固定法及胶粘法。其中弹性元件固定法是利用琴钢丝制成的弹性卡圈将透镜或其他的光学件固定在镜框内的一种方法，只用于同轴度和牢固性要求较低的透镜；胶粘法是利用胶粘剂如环氧树脂、乌利当胶粘剂将透镜胶粘在镜框内的一种方法，通常用于直径很小的透镜；滚边法是将透镜装入金属镜框中，在精整车床上用专用工具把镜边缘挤压弯曲，使其沿着透镜圆周倒角的斜面紧紧地包住透镜，把透镜和镜框牢固的连接在一起，这种方法一般使用在直径是40毫米以下的透镜安装，本物镜直径为40毫米，且为双胶合，透镜较重，滚边法不易固定，现采用压圈法连接。压圈法是采用内、外螺纹压圈来固定透镜，本胶合物镜将凹透镜作为定位面，压圈压在凸透镜上。
CCD单板机通过定位块、压片进行固定，给定的尺寸及公差范菌可以保证CCD的中心大致在物镜光轴上。
此外，系统装配时还需要注意的有以下几点：
1、机械零件与光学零件连接时，应保证连接的牢固性，但不能引起光学零件产生应力。如果压力过大，会使光学零件发生变形；
2、需要满足光学系统成像质量的要求，该系统中主要是保证的感光面与物镜的焦平面重合，若离焦则会产生测量误差；
3、仪器的内表面、零件表面，尤其是光学零件表面要求非常清洁。因为一切附在光学零件表面上的灰尘、污拒等，都将影响光线的通过，整个装配过程需在无尘实验室中进行；
4、该产品属于军用光学检测仪器，需要保证其在野外恶劣条件下任能正常使用，要求仪器对外界的影响具有良好的稳定性，装配时通过加入密封圈、涂胶、表面氧化等手段增加仪器的密封性、防水性以及防腐性。
安装完成后进行第二步，主要完成对系统视差的校正，即将CCD的感光面调至与物镜的焦平面重合。校正方法如下：
将装配好的仪器连接上位机，将物镜对准平行光管，平行光管采用分辨率靶板，平行光管出射的是平行光，通过物镜后便会聚在其焦点上，通过仪器表面的螺钉对物镜的前后位置进行微调，在上位机软件上观察感光面所成像，当分辨率靶板最清晰时，即完成调校。
装配校正好的仪器与上位机连接如下图所示：

3.2系统装配与标定
对激光指示器的零位进行检测必须要有一个基准来代表子弹发射轴，这里将插轴作为基准轴，标定的目的就是找出感光面上的一个点（参考点），使其与物镜组成的光轴与插轴平行，当把激光光斑的中心调节到该点时，激光指示器的出射光轴与步枪的发射轴平行，完成调校。
参考点标定采用工厂检测里常用的五棱镜法，原理如下图所示。整个检测装置由带十字分划的平行光管、五棱镜、安装平台及基准面组成。安装平台上有根据插轴结构设计的小孔，内部构造和毫米口径的枪腾相同，插轴插入小孔后，光学成像系统能够以插轴为中心轴进行左右旋转。
基准面是一个平面，五棱镜可以依靠基准面在一条直线上左右移动，五棱镜的光学性能是能将光路折转度，如下图所示，五棱镜在位置和位置处，出射的两光束平行。由几何光学原理可知，当这两束光与插轴平行时，它们分别在上成像的点相同，此点即为要标定的参考点。
调节过程中，转动安装平台，改变插轴与两平行光的位置关系，然后分别查看两束光中十字分划在CCD上的成像位置，多次调节直至两个位置下，十字分划在CCD上的位置相同。调节完成后固定平行光管和安装台位置，此时插轴和平行光管光轴垂直，以后标定参考点只需插入插轴，找出十字分划中心在CCD上的坐标，此即为参考点。

1. 总结与展望
红外瞄准仪一直是军事领域的重要器件，本文对红外瞄准仪装配与校正的研究虽然比较浅显，但对作者本人对红外瞄准仪的装配无论是从理论上还是实践上都有了更为深刻的认识
而多光轴校正一直是光学检测领域研究的重点问题，现己从传统的目视观察法发展到以图像采集技术为主体的数字化检测方法，不仅检测更加方便而且精度更高。本文所研究的内容属于光轴检测范畴，但又有所区别，主要是完成光轴与机械轴两种不同轴线的平行度校正。

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