0 引言
作为战场上的火力骨干,车载火炮因其威力大、通用性好、反应速度快等优点,是现代陆军的主要火力输出手段[1]。其中,“瞄得准、打的中”是行进间车载火炮的任务所在,在战争中发挥着决定性作用。行进间射击精准打击关键点是瞄准方向与身管炮口指向方向一致,因此有关炮口偏移状态的测量十分必要[2]。一般而言,炮口的偏移可分为炮口平动和转动。造成炮口平动的原因,一是受射击载荷与路面位移激励相互耦合作用影响,导致车体姿态变化,引起火炮射击火力线偏差及随动误差,最终影响射击精度[3];二是连续射击时发射载体,即弹丸的螺旋运动姿态会造成射击线指向偏移等一系列复杂牵连运动,也会影响射击精度[4]。造成炮口转动的原因主要为弹丸螺旋出射时与火炮身管的相互耦合作用引起弹丸炮口状态发生改变,进而影响射击精度[5]。其中,弹丸螺旋造成炮口转动角小,常可忽略不计,因此主要针对炮口的平动测量,而不考虑其转动。
目前,关于身管偏移状态测量主要包含静止时身管自身弯曲状态和静止射击时炮口偏移,而针对行进间射击状态的测量手段匮乏[6-10]。首先,最早测量身管弯曲度时使用定心环和读数望远镜的光学仪器法,第一次实现了身管弯曲度的量化测量,但是需要人工瞄准,自动化程度低,误差大[11];有以激光光束为准直基准,由CCD面阵图像器件接收光点位置来确定身管弯曲度的CCD法,此方法自动化程度和测量精度都很高,但是系统复杂、测量数据一致性差[12];其次,测量静止时炮口偏移的方法有基于光学杠杆原理的炮口扰动角测试方法,利用光线的镜面反射定律,对微小的角度或位移变化量放大,能够间接测量出微小的位移变化以及变化方向,但是激光器等光电器件安装在身管之外,不能跟踪行进间的炮口偏移状态[13]。关于行进间的炮口偏移状态测量方法有基于PSD的光学三角法,准直后的激光照射到炮口反射镜再反射到PSD上,经信号处理能够得到炮口的角位移信息,但是对反射镜平整度要求高[14];有基于CCD视觉的行进间火炮身管弯曲度测量方法,以CCD成像光轴为准直线,用指示靶板在图像中的位移衡量炮口偏移,能够完成行进间火炮身管弯曲状态的实时测量,但是测量精度较低[15]。
为了解决上述问题,提出了一种基于PSD的炮口偏移状态测量新方法,将激光安装在炮尾,激光束指向安装在炮口的PSD光敏面中心位置。PSD随炮口振动发生位移而激光光束指向不变,则光敏面上的光斑位置移动会直接反应炮口位置的变化,达到测量炮口偏移状态的目的。此方法安装方便快捷,测量精度高,可以满足行进间火炮炮口偏移状态的实时精确测量。
1 系统结构与工作原理
炮口偏移状态测试系统主要由硬件系统和软件系统组成。硬件系统包括PSD、激光器、信号处理装置、数据采集装置等部件,用于获取炮口偏移的位置信息,并将光信号转变为电信号进行处理。PSD为硬件系统的核心部件,该部件的工作原理是基于PN结的横向光电效应,用于将照射于其光敏面上的光信号转换为电信号,位置输出只与光斑重心位置相关,与光斑的形状无关,具有分辨率高、反应速度快等优点[16],被广泛应用[17-21]。激光是波长为550 nm的绿光,功率为5 mW,适用于PSD的感光强度。信号处理装置能够将电流信号放大以及完成电流信号向电压信号的转换和模拟信号向数字信号的转换;数据采集装置实现数据的采集及存储,便于传输到软件系统。软件系统包括信号处理装置的软件设计和数据输出之后的软件设计,进行炮口偏移量的计算。总体系统结构如图1所示。
图1 炮口偏移状态测量装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of measuring device for muzzle offset status
用于固定测量装置的装夹工具为带有滑轨的卡箍和滑块结构,定制的卡箍内径分别与炮口和炮尾的外径吻合。装夹时将卡箍的上下两部分套在身管炮口或炮尾位置,用螺丝进行紧固。配套的滑块与卡箍上滑轨凹槽为榫卯结构,两者紧扣,激光器与PSD分别固定在两个滑块上,使得激光垂直入射PSD光敏面。具体设计如图2所示。
图2 装夹工具示意图
Fig.2 Schematic diagram of clamping tools
为了监测测量装置的位移情况,再用KD-855HL金属专用接着剂进行粘连。固化后由于胶层是硬质的,通过胶质是否有裂纹可以判断PSD或激光器自身是否发生位移,便于及时发现并加固。
火炮炮口位于初始位置时,置于炮尾的激光器发出的激光垂直照射在PSD光敏面,由PSD将激光光斑信号转为电流信号,再经信号处理装置变换、放大和数据采集后,由计算机软件显示入射光斑的位置;炮口发生偏移时,固定在炮口的PSD随之发生同样的位置偏移,导致激光入射PSD光敏面的光斑位置发生变化,基于横向光电效应的电流信号相应发生改变,经信号处理装置和采集装置处理后,最终反应到计算机软件数据发生变化,实现炮口偏移量的测量。
2 信号采集与数据处理
当激光束照射到PSD光敏面上,PSD将光信号转变为微弱的电信号,这个电信号为易受干扰的模拟信号,在传输的过程中,会不可避免的有一些干扰信号掺杂在有用的信号里,造成信息采集偏差和错误。为了有效地区分干扰信息和有用信息并将干扰信息滤除,最大程度地减小干扰信号对结果的影响,需要对信号进行采集放大、转换和滤波处理。首先加入I/V转换电路,将电流信号转换为电压信号,再加入放大滤波电路,将微弱的信号进行放大,同时滤除信号传输过程中混合的干扰信号,之后加入A/D转换电路,将模拟信号转换为更容易处理和传输的数字信号,将数据存储到数据采集装置中,最后通过有线的方式将数据传输到上位机中。如此大大减小了信息传输过程中的干扰信号,使结果更加可靠。信号采集与数据处理框图如图3所示。
图3 信号采集与数据处理框图
Fig.3 Block diagram of signal acquisition and data processing
PSD光敏面上的光斑所在位置的坐标计算公式为
(1)
式(1)中: VX1、VY1、VX2、VY2为PSD电极X1、Y1、X2、Y2输出的电流经过I/V转换和A/D转换后的数字电压信号,Lx为PSD上的X轴感光面的长度,LY为PSD上的Y轴感光面的长度。X、Y分别是光斑的物理中心位置在PSD感光面上的二维坐标,图4为PSD工作原理图。
图4 PSD工作原理
Fig.4 Working principle of PSD
本实验所用PSD型号为日本滨松公司所生产C10443-04模块,光斑中心测量精度为1.4 μm,信号处理单元型号为C10460模块,软件为该公司配套软件,当PSD光敏面感光时,会直接输出对应二维坐标值。
3 验证实验
3.1 关于PSD倾斜带来的误差分析
如图5所示,接收模块的核心部件PSD是固定在炮口上的,PSD始终垂直于炮口,随着炮口的偏移,PSD和激光不再是垂直关系,两者之间存在一个偏角,这个偏角会对PSD测量的坐标产生影响。
图5 炮口偏移示意图
Fig.5 Schematic diagram of muzzle offset
图6为误差计算原理图。其中,直线AC代表激光,D点是激光的准确入射点,C点是激光的实际入射点。设身管长为4 m,火炮射击后,炮口偏移量一般不会超过±10 mm。假设炮口在最大偏移处10 mm,则BD=10 mm,AD近似为身管长度4 m。
图6 误差计算原理
Fig.6 Principle of error calculation
当身管出现倾斜时,测量系统测得的光斑位移为线段BC(设为d1),实际上的身管偏差位移为线段BD(设为d2),测量误差设为δ,直线AC和直线AB之间的夹角设为α,则有以下关系:
(2)
(3)
式(3)中:δ远小于1 μm,相对于PSD的精度1.4 μm来说可以忽略不计。因此,由于炮口偏移带动PSD造成的角度偏差可以忽略不计。
3.2 探究环境光照度对PSD测量影响实验
将激光器固在高精度二维位移平台上,使激光垂直入射PSD光敏面,激光器随着位移平台在x轴方向上移动,导致入射到PSD光敏面上激光的位置发生变化。在不同的光照环境下测量PSD的线性度,结果如下:
由图7、图8可知,随环境光的光强变强,PSD对距离的测试依然呈线性,但线性度斜率会随着环境光强度增加而呈指数下降。结果表明,环境光会对测量准确性造成干扰,增大测量误差,环境光越强,测试位移会比实际位移更小。为了尽可能消除环境光对测量造成的影响,本实验在PSD感光面前中加一个带通滤光片,只允许绿色激光通过,尽量滤除环境光;其次,在PSD边添加光敏传感器,利用光差扣除背景光的影响,使得PSD线性度斜率为1。
图7 不同光照度下PSD线性度示意图
Fig.7 Schematic diagram of PSD linearity under different lighting intensities
图8 光照度与PSD线性度斜率关系
Fig.8 Relationship between illuminance and PSD linearity slope
在实验中发现,除环境光的影响之外,温度也会对PSD的测量结果造成误差。经过实验验证,PSD在-40°～50°的温度下能够正常运行,故需加装散热系统使温度保持在合适范围内。
3.3 测量精度检测实验
将炮口与二维电控位移连接,利用位移台移动模拟控制行进时火炮炮口偏移。设置二维位移平台分别沿预设方向移动,轨迹为正方形((3,3)→(9,3)→(9,9)→(3,9))和三角形((2,5)→(10,5)→(6,9)),移动步长为1 mm。入射在PSD的光斑重心位置会随位移台上PSD的移动而变化。记录对应时刻实际坐标值,并与理论值进行对比,计算其精度,结果分别如图9、图10所示。
图9 正方形轨迹理论与实际值对比
Fig.9 Comparison between square trajectory theory and actual values
图10 三角形轨迹理论与实际值对比
Fig.10 Comparison between triangle trajectory theory and actual values
在正方形和三角形这2种预设轨迹中,黑色点线表示预设值,红色点线表示实际测量结果值,该结果显示,实际测量结果和预设值基本一致。正方形轨迹一共有25组数据,在x轴方向平均误差为57.2 μm,最大误差为141.0 μm;在y轴方向平均误差为89.0 μm,最大误差为223.0 μm;三角形轨迹一共有17组数据,三角形轨迹在x轴方向平均误差为27.5 μm,最大误差为76.2 μm;在y轴方向平均误差为58.0 μm,最大误差为185.3 μm。
3.4 实时性测量实验
将图1所示装置放置于振动台上,频率设置为20 Hz,模拟行进间火炮所受的路面激励,以2 ms为数据显示间隔,持续采样20秒,共取10 000个样本点。得到时间与PSD的y轴方向振动位移关系,如图11所示。
图11 行进间炮口状态随时间变化关系
Fig.11 Time dependent relationship of muzzle status during movement
由图11可得,在车载火炮行驶过程中,由于路面不平会造成车身颠簸,使得炮口位置发生偏移可以由本方案测量装置测到。该方案能够对炮口的偏移状态进行实时监测,图11(a)中监测到了在20 s内炮口发生了大约±0.04 mm的位置偏移,装置反应时间精确到2 ms,图11(b)为图11(a)的展开,分辨精度在10 μm以内。
4 结论
1) 设计出了一种基于PSD的炮口偏移状态测量系统,利用PSD分辨率高、反应速度快的特点,能实现行进间炮口偏移量的实时精确测量。
2) 基于PSD的炮口偏移状态测量系统克服了以往测量方法复杂、安装不便、测量效率低下的缺点,也填补了空白,改善了以往大多数测量方法只能测量静止状态下身管的弯曲度而不能测量行进间炮口偏移状态的缺陷。
3) 基于PSD的炮口偏移状态测量系统可以实时监测炮口状态,为分析行进、行进间射击及静止射击等多态情况下炮口相对偏移情况,为分析火炮各层级联动及火控反馈提供依据。
4) 测量精度在微米量级,时间精度为2 ms,具有一定的实用价值和参考意义,为行进间炮口偏移测量提供了新思路。
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