自行高炮炮長瞄準(zhǔn)鏡動(dòng)態(tài)觀瞄裝置

李勤學(xué)，何玉蘭，王 濤，柴繼河，閆 麗，陳秀萍，強(qiáng) 華，張 瑩

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 ，陜西 西安710065）

引言

在自行高炮武器系統(tǒng)中，火炮伺服系統(tǒng)是重要功能單元，它接受火控系統(tǒng)指令使火炮完成調(diào)轉(zhuǎn)、跟蹤、提前等運(yùn)動(dòng)［1］。其可靠性隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷提高，但由于系統(tǒng)復(fù)雜及作戰(zhàn)受損，故障發(fā)生的可能性不容忽視。為使火炮伺服系統(tǒng)發(fā)生故障后，武器系統(tǒng)仍具有一定戰(zhàn)斗力，許多自行高炮設(shè)置應(yīng)急手段，在火炮伺服系統(tǒng)發(fā)生故障后以應(yīng)急方式工作［2－3］，使火炮完成調(diào)轉(zhuǎn)、跟蹤、提前等運(yùn)動(dòng)。采用光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡觀察、搜索，手動(dòng)使瞄準(zhǔn)線與火炮完成調(diào)轉(zhuǎn)、跟蹤、提前，這是主要應(yīng)急手段之一。但這種手段存在反應(yīng)速度慢、對(duì)準(zhǔn)精度低、到達(dá)提前位置誤差大的問題。動(dòng)態(tài)觀瞄裝置產(chǎn)生含有光標(biāo)的視頻信號(hào)，通過實(shí)時(shí)接收目標(biāo)或火炮提前量數(shù)據(jù)，解算并控制視頻信號(hào)中光標(biāo)動(dòng)態(tài)位置。該視頻信號(hào)經(jīng)微顯示器顯示并被投影到瞄準(zhǔn)鏡分劃面上［4－5］，使動(dòng)態(tài)光標(biāo)出現(xiàn)在瞄準(zhǔn)鏡視場中，應(yīng)急工作時(shí)引導(dǎo)炮長以手動(dòng)方式使瞄準(zhǔn)線及火炮快速調(diào)轉(zhuǎn)、跟蹤、快速到達(dá)提前位置。從而減輕操作難度、提高調(diào)轉(zhuǎn)速度，利于抓住戰(zhàn)機(jī)，提高命中概率。

1 光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡工作方式及原理

采用光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡為應(yīng)急手段的自行高炮按伺服系統(tǒng)狀況有兩種工作方式：

1）自動(dòng)方式（主要方式，火炮伺服系統(tǒng)正常工作方式）。以雷達(dá)或光電系統(tǒng)搜索、捕獲、跟蹤目標(biāo)［6－7］，目標(biāo)信息經(jīng)火控計(jì)算機(jī)處理發(fā)往火炮伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)火炮調(diào)轉(zhuǎn)并跟蹤目標(biāo)［8］，目標(biāo)進(jìn)入射程后，火控計(jì)算機(jī)解算提前量，驅(qū)動(dòng)火炮到達(dá)提前位置后射擊。

2）手動(dòng)方式（應(yīng)急方式，火炮伺服系統(tǒng)發(fā)生故障后工作方式）。雷達(dá)或光電系統(tǒng)搜索、捕獲、跟蹤目標(biāo)，炮長間接接收雷達(dá)或光電系統(tǒng)指示，通過光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡觀察、搜索，以手動(dòng)方式調(diào)轉(zhuǎn)火炮、跟蹤目標(biāo)。目標(biāo)進(jìn)入射程后，目測其方向、速度、距離，估算提前量［9］，手動(dòng)使火炮到達(dá)射擊提前位置后射擊［10－11］。

圖1是光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)原理圖。其光學(xué)系統(tǒng)由保護(hù)窗1（采用冕玻璃）、端部棱鏡2（采用重火石玻璃）、物鏡組3（采用冕玻璃、火石玻璃）、五棱鏡4（采用冕玻璃）、分劃板5（采用冕玻璃）、目鏡6（采用冕玻璃、火石玻璃）組成［12］。光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡安裝在炮塔上，其瞄準(zhǔn)線方位隨鏡體及炮塔運(yùn)動(dòng)，俯仰由端部棱鏡驅(qū)動(dòng)隨火炮身管同步運(yùn)動(dòng)。因瞄準(zhǔn)線始終平行火炮射線，因而這種光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡屬于非獨(dú)立瞄準(zhǔn)線瞄準(zhǔn)鏡。

圖1 光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)原理圖Fig.1 Optical schematic diagram of optical ring sight lens

圖2 是光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡分劃板原理。光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡分劃面刻制若干同心環(huán)，稱為“光環(huán)”，其半徑由目標(biāo)典型速度、典型距離、彈丸飛行時(shí)間及物鏡組焦距計(jì)算，標(biāo)識(shí)瞄準(zhǔn)線典型提前角。光環(huán)中心為瞄準(zhǔn)線零位，對(duì)目標(biāo)跟蹤好時(shí)與目標(biāo)重合。應(yīng)急工作時(shí)，炮長目測目標(biāo)速度、距離后選擇相應(yīng)光環(huán)，并選擇其與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向相反、與所需提前位置（圖2＊號(hào)位置）對(duì)稱的部位對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，使瞄準(zhǔn)線和火炮到達(dá)提前位置，如圖3所示。

這種光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡具有與火炮射線同軸、視場大、分辨率高、可靠性好、使用方便、抗電磁干擾等特點(diǎn)。許多自行高炮除配裝雷達(dá)或獨(dú)立瞄準(zhǔn)線光電系統(tǒng)外，仍然配置光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡進(jìn)行觀瞄、搜索，應(yīng)急工作時(shí)帶動(dòng)火炮捕獲、跟蹤目標(biāo)，擊毀目標(biāo)。

圖2 光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡分劃板原理Fig.2 View of reticle surface of ring sight lens

圖3 光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡瞄準(zhǔn)線到達(dá)提前位置Fig.3 View of reticle surface while LOS in lead position

然而這種瞄準(zhǔn)鏡在應(yīng)急工作時(shí)存在以下不足：

1）不易利用火控系統(tǒng)給出的提前量。僅依靠目測目標(biāo)方向、速度和距離概估提前量，選擇光環(huán)及光環(huán)部位對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，使瞄準(zhǔn)線和火炮到達(dá)提前位置。

2）代表典型目標(biāo)速度和距離的光環(huán)數(shù)量有限，光環(huán)參數(shù)與目標(biāo)實(shí)際速度及距離有差距，所選光環(huán)部位與目標(biāo)方向有誤差，因而使瞄準(zhǔn)線和火炮到達(dá)提前位置的誤差大，導(dǎo)致命中概率低［13］。

3）炮長依靠目測進(jìn)行判斷并手動(dòng)操作，腦力和體力工作強(qiáng)度大、熟練程度要求高，使瞄準(zhǔn)線和火炮到達(dá)提前位置速度慢、誤差大，設(shè)計(jì)命中概率不高，且易喪失戰(zhàn)機(jī)。

2 動(dòng)態(tài)觀瞄裝置原理

2.1 動(dòng)態(tài)觀瞄裝置組成及原理

針對(duì)以上問題，我們?yōu)榕陂L瞄準(zhǔn)鏡設(shè)計(jì)了一種以動(dòng)態(tài)光標(biāo)指示目標(biāo)方向及提前量的裝置，應(yīng)急工作時(shí)可使目標(biāo)快速進(jìn)入視場，使瞄準(zhǔn)線和火炮快速、準(zhǔn)確到達(dá)射擊提前位置。

組合在炮長瞄準(zhǔn)鏡中的動(dòng)態(tài)觀瞄裝置如圖4所示，包括動(dòng)態(tài)光標(biāo)電路板7、微顯示器8、投影光學(xué)系統(tǒng)9（采用鑭冕玻璃、鑭火石玻璃）、分光棱鏡10（采用冕玻璃）和警示燈11。

該瞄準(zhǔn)鏡觀瞄光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡類似，包括保護(hù)窗1、端部棱鏡2、物鏡組3、五棱鏡4、分劃板5和目鏡6，目標(biāo)經(jīng)觀瞄光學(xué)系統(tǒng)成像在分劃板上。投影系統(tǒng)將顯示器圖像經(jīng)分光棱鏡也放大到分劃板上。觀瞄系統(tǒng)光路和投影系統(tǒng)光路通過分光棱鏡后匯合，其像面在分劃面重合，經(jīng)目鏡供炮長觀察。

動(dòng)態(tài)光標(biāo)電路板集成了通訊電路、光標(biāo)位置電路、光標(biāo)生成電路、視頻信號(hào)發(fā)生電路和視頻混合電路。

圖4 含動(dòng)態(tài)觀瞄裝置的瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)原理圖Fig.4 Optical schematic diagram of sight lens with dynamic cursor

動(dòng)態(tài)觀瞄裝置工作原理如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)觀瞄裝置工作原理圖Fig.5 Operating schematic diagram of dynamic cursor

通信電路接收火控計(jì)算機(jī)發(fā)送的目標(biāo)及提前量數(shù)據(jù)送入光標(biāo)位置電路；光標(biāo)位置電路內(nèi)置坐標(biāo)解算軟件，接收數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)解算光標(biāo)位置坐標(biāo)，產(chǎn)生光標(biāo)位置信號(hào)；光標(biāo)生成電路產(chǎn)生TTL光標(biāo)信號(hào)；視頻信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生低電平視頻信號(hào)。光標(biāo)位置信號(hào)、TTL光標(biāo)信號(hào)和低電平視頻信號(hào)同時(shí)送入視頻混合電路，視頻混合電路根據(jù)光標(biāo)位置信號(hào)將光標(biāo)TTL信號(hào)鑲嵌在低電平視頻信號(hào)的相應(yīng)座標(biāo)點(diǎn)，即由光標(biāo)形狀尺寸和動(dòng)態(tài)位置所要求的座標(biāo)點(diǎn)選擇TTL信號(hào)，其他座標(biāo)點(diǎn)選擇低電平視頻信號(hào)，形成含有動(dòng)態(tài)電子光標(biāo)的混合視頻信號(hào)并輸出到微顯示器，投影系統(tǒng)將顯示器圖像放大到分劃面上。

2.2 動(dòng)態(tài)光標(biāo)位置解算

動(dòng)態(tài)光標(biāo)位置電路解算和控制方式如下：

1）接收通信電路送入的目標(biāo)及提前量數(shù)據(jù)；

2）接收數(shù)據(jù)為目標(biāo)坐標(biāo)時(shí)，控制警示燈熄滅；

3）判斷目標(biāo)坐標(biāo)絕對(duì)值是否大于視頻圖像同向邊緣坐標(biāo)的絕對(duì)值，并確定光標(biāo)橫、縱坐標(biāo)的取值，即：

4）接收的數(shù)據(jù)為提前量坐標(biāo)時(shí)，控制警示燈點(diǎn)亮，并令：

式中：XT、YT為目標(biāo)橫、縱坐標(biāo)值；XC、YC為光標(biāo)橫、縱坐標(biāo)值；XM、YM為視頻圖像與目標(biāo)同向邊緣橫、縱坐標(biāo)值；XA、YA為提前量數(shù)據(jù)橫、縱坐標(biāo)值。

光標(biāo)位置解算軟件工作流程如圖6所示。

圖6 光標(biāo)位置解算軟件工作流程圖Fig.6 Flow chart of software to calculate position of dynamic cursor

3 動(dòng)態(tài)觀瞄裝置工作方式

火炮伺服系統(tǒng)發(fā)生故障，自行高炮以應(yīng)急方式工作時(shí)，炮長瞄準(zhǔn)鏡動(dòng)態(tài)觀瞄裝置接收并解算火控計(jì)算機(jī)發(fā)送的目標(biāo)信息或提前量數(shù)據(jù)，產(chǎn)生含有動(dòng)態(tài)光標(biāo)的混合視頻信號(hào)，微顯示器將此視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為可視圖像。投影光學(xué)系統(tǒng)將圖像投影到分劃面上，投影圖像中心與分劃面原點(diǎn)重合，同為瞄準(zhǔn)線零位。

目標(biāo)未進(jìn)入視場時(shí)，火控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)為目標(biāo)角座標(biāo)，光標(biāo)受此數(shù)據(jù)控制持續(xù)停留在目標(biāo)同向視場邊緣（見圖7），引導(dǎo)炮長以手動(dòng)方式調(diào)轉(zhuǎn)瞄準(zhǔn)線和火炮，使目標(biāo)進(jìn)入視場。

圖7 光標(biāo)持續(xù)停留在目標(biāo)同向視場邊緣Fig.7 Cursor staying in codirection FOV edge of object

目標(biāo)進(jìn)入視場后，光標(biāo)采用目標(biāo)角座標(biāo)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)光標(biāo)與動(dòng)態(tài)目標(biāo)重合，炮長手動(dòng)調(diào)炮使瞄準(zhǔn)線對(duì)準(zhǔn)重合的目標(biāo)和光標(biāo)，并保持跟蹤（見圖8）。

圖8 瞄準(zhǔn)線對(duì)準(zhǔn)重合的目標(biāo)和光標(biāo)Fig.8 LOS aiming at superposed object and cursor

目標(biāo)進(jìn)入射程后，火控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)為提前量數(shù)據(jù)，分劃板下方警示燈（圖4、圖7～圖10）點(diǎn)亮，提示炮長立即執(zhí)行進(jìn)入提前量位置的操作，此時(shí)光標(biāo)反向指示瞄準(zhǔn)線和火炮應(yīng)到達(dá)的提前量位置，即光標(biāo)位置與提前量位置對(duì)稱，對(duì)稱軸過瞄準(zhǔn)線零位且垂直于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向（見圖9）。炮長手動(dòng)調(diào)炮使光標(biāo)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，即可使瞄準(zhǔn)線和火炮到達(dá)射擊提前位置（見圖10）。此時(shí)的主要觀瞄誤差為光標(biāo)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的對(duì)準(zhǔn)誤差。

圖9 對(duì)稱軸過瞄準(zhǔn)線零位且垂直于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向Fig.9 Symmetry axis passing LOS zero position while perpendicular to object moving direction

圖10 瞄準(zhǔn)線及火炮到達(dá)射擊提前位置Fig.10 LOS and artillery arriving at shooting lead position

4 結(jié)論

與以往使用傳統(tǒng)光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡應(yīng)急工作，利用間接信息將目標(biāo)導(dǎo)入視場的方式相比，動(dòng)態(tài)觀瞄裝置可迅速、準(zhǔn)確引導(dǎo)目標(biāo)進(jìn)入視場；與使用傳統(tǒng)光環(huán)瞄準(zhǔn)鏡光環(huán)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)使火炮到達(dá)提前位置的方式相比，動(dòng)態(tài)觀瞄裝置以精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的動(dòng)態(tài)光標(biāo)指示提前量，可使瞄準(zhǔn)線和火炮快速、準(zhǔn)確到達(dá)射擊提前位置，減輕了操作者的工作強(qiáng)度和精神壓力，可解決反應(yīng)速度慢、對(duì)準(zhǔn)精度低、提前量誤差大的問題，使武器系統(tǒng)易于抓住戰(zhàn)機(jī)，提高命中概率。

含動(dòng)態(tài)觀瞄裝置的瞄準(zhǔn)鏡安裝在某型自行高炮上對(duì)空中機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，縮短了手動(dòng)引導(dǎo)目標(biāo)進(jìn)入視場的時(shí)間，顯著提高了瞄準(zhǔn)線和火炮到達(dá)射擊提前角的精度，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能，達(dá)到了預(yù)定效果。

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