基于CCD光電成像靶面的艦炮校靶裝置設計與實現(xiàn)

程杰

摘要：CCD作為一種易于與計算機連接的傳感器，在位移檢測、光譜分析、自動控制等方面應用廣泛，本文在介紹基于CCD光電成像靶面的艦炮校靶裝置設計思路基礎(chǔ)上，闡述了其組成及設計實現(xiàn)，詳細分析了硬件系統(tǒng)的光學系統(tǒng)設計、照明系統(tǒng)設計和機械設計以及軟件系統(tǒng)的設計實現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：CCD;艦炮校靶裝置;設計與實現(xiàn)

中圖分類號：TJ762.13文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2018）09-0000-00

1引言

某型艦炮在實彈射擊之前都要利用星體校對儀進行軸線一致性校準、修訂，以檢查艦炮機械零位的精度，達到預定的毀殲概率。傳統(tǒng)星體校對儀存在測量誤差較大、便攜性不好、保障要求高、維護與保養(yǎng)不方便等諸多不足。因此，研制基于CCD光電成像靶面的具備校星、校標雙重功能的新型艦炮校靶裝置，可以彌補傳統(tǒng)星體校對儀存在的缺陷，提高某型艦炮機械零位檢查調(diào)整的精確度、可靠度和便攜性。

2設計思路

首先根據(jù)艦炮校靶裝置工作原理進行光學系統(tǒng)的設計。利用CCD技術(shù)在物鏡組與目鏡組之間加入CCD電荷耦合器件，使用CCD接收星點與光學系統(tǒng)中十字叉絲的對準信息，并通過傳輸電纜將視頻信號實時傳遞到平板顯示器，以便觀察調(diào)整。這一設計能有效減少光學信號的衰減，減輕設備的體積與重量，并使成像效果更加清晰。其次通過光學設計軟件進行光學系統(tǒng)的加工與調(diào)試，依據(jù)JB/T8226.6-1999#標準進行光學鏡片的加工和鍍膜，依據(jù)JB/T5213-2006#標準對光學系統(tǒng)本體進行精密加工和鍍鉻處理，加裝定位卡簧，以確保光學系統(tǒng)裝進身管后的同軸性和穩(wěn)定性。接下來完成初樣機的加工與組裝。在光學系統(tǒng)加工完成后，通過加固接頭完成光纜、平板顯示器、蓄電池的組裝，形成完整的艦炮校靶裝置。最后完成相關(guān)配套軟件的開發(fā)。根據(jù)艦炮校靶裝置白天校標以及夜晚校星的工作原理，研究校標誤差產(chǎn)生的原因，設計出校標與校星誤差的計算算法，采用C#語言編寫校標與校星誤差的自動解算程序，完成相關(guān)配套程序的開發(fā)，實現(xiàn)軟件自動解算艦炮機械零位誤差的目標。

3組成及設計實現(xiàn)

3.1組成

艦炮校靶裝置主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。艦炮校靶裝置組成框圖如圖1所示。

3.2硬件系統(tǒng)設計

（1）光學系統(tǒng)設計。光學系統(tǒng)正是通過CCD技術(shù)把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由光學系統(tǒng)內(nèi)部的快速存儲器保存，再把數(shù)據(jù)傳輸給CRT顯示器。無窮遠星點光通過望遠鏡后成像于分劃板分劃面，兩者通過后組成像鏡頭成像于CCD靶面，星點在分劃板的位置信息的視頻信號通過視頻信號線傳輸?shù)紺RT顯示器上。設計艦炮校靶裝置光學系統(tǒng)的過程中，確定系統(tǒng)焦距f和物鏡口徑D，選定光電探測器，光學系統(tǒng)的基本性能參數(shù)包括焦距f、相對孔徑D/f和視場角2ω和最小分辨率隨之確定，此外，為了控制視場，在望遠物鏡焦面處添加視場光闌以及光學分劃板，通過物鏡焦距以及分劃板來確定對應視場值，探測器靶面應與實際像面匹配。光電探測器的選擇是光學系統(tǒng)設計的關(guān)鍵，根據(jù)采用的光電探測器件的不同，可分為光敏電阻式、PSD器件、CCD器件（包括線陣和面陣CCD）等類型。選擇CCD的過程中，與光學系統(tǒng)設計有關(guān)的兩個主要參數(shù)是靶面面積和像元尺寸，測角范圍與靶面面積有關(guān)，同時像元尺寸直接決定了光學系統(tǒng)的最小分辨率，因此也將影響艦炮校靶裝置的測量精度。最終系統(tǒng)像面的MTF函數(shù)如圖2所示。

（2）照明系統(tǒng)設計。由于艦炮校靶裝置主要是在夜晚使用，那么系統(tǒng)的光通量不足會使得光學分劃板看不清楚，所以只有正確設計照明系統(tǒng)，才能最可靠、最有效的滿足其工作需要。從校靶星的設計角度出發(fā)，照明光路中選擇光源時應該考慮以下幾方面的因素：光源的發(fā)熱特性：光源的發(fā)熱量過大會引起儀器結(jié)構(gòu)的形變，降低測量精度;光源的功率大小能滿足艦炮校靶裝置對中心系統(tǒng)和CCD靶面的照度要求;照明系統(tǒng)設計的復雜性在于不同的光源特性（發(fā)散角和光度特性）所要求的照明系統(tǒng)復雜度不同;具體包括供電系統(tǒng)、使用壽命以及經(jīng)濟性。傳統(tǒng)的照明光源采用白熾燈或鹵鎢燈加濾色片的形式，但是這兩種光源發(fā)熱量大，艦炮校靶裝置過多的熱量會引起儀器結(jié)構(gòu)的形變，直接影響測量精度。本設計中選擇高性能LED作為照明光源。高性能LED是一種體積小、發(fā)光效率高的冷光源。同時，選擇乳白玻璃對光源出射照度進行勻化。為方便系統(tǒng)攜帶使用，盡量將系統(tǒng)小型化，選用紐扣電池對LED光源供電。照明光路中通過添加小孔以及乳白玻璃來調(diào)整光通量和光照度的均勻性。

照明系統(tǒng)的設計要求包括：

①保證被照物面—分劃板的照度均勻性及照度大小;

②照明系統(tǒng)的像方孔徑角不小于成像系統(tǒng)的物方孔徑角;

③盡可能減少雜光，在光電接收系統(tǒng)中，雜光會降低成像的對比度;

④符合結(jié)構(gòu)布局及尺寸要求。

最終，設計的照明系統(tǒng)能在星空環(huán)境下清晰的呈現(xiàn)星點像以及光學分劃板像質(zhì)。

（3）機械設計。機械設計中重要指標是艦炮校靶裝置外形導桿與炮膛內(nèi)徑的配合精度以及同軸性精度，為了確保1個密位的精度，外形尺寸加工為6級公差，所有機械加工完畢，用三坐標對其公差進行測量，考慮到艦炮校靶裝置會多次插入炮膛，對機械外形件進行鍍硬鉻處理，使得外形不容易劃傷。系統(tǒng)裝調(diào)過程中，將系統(tǒng)光學軸線與機械軸線調(diào)整一致，控制兩者誤差在1個密位以內(nèi)。艦炮校靶裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。實際操作時，將艦炮校靶裝置光學鏡筒插入炮膛后，對準要觀測的星點，此時照明系統(tǒng)將內(nèi)置分劃板刻畫面照亮，星點像和分劃板通過后繼成像系統(tǒng)成像于CCD靶面，CCD將成像信息傳遞到CRT顯示器，通過判斷星點像與分劃板十字刻線的方位來讀取雷達與艦炮方位的誤差。其中艦炮校靶裝置的光學視軸與光學鏡筒的外圓機械軸已經(jīng)在裝調(diào)時調(diào)整一致，誤差控制在1個密位以內(nèi)。

3.3軟件系統(tǒng)設計

艦炮校靶裝置軟件系統(tǒng)設計采用標準編程語言C#，通過VisualStudio2010圖形編輯與生成工具完成圖形化的人機交互界面，數(shù)據(jù)庫軟件采用SQLServer2005。軟件的組成主要包括校標分系統(tǒng)、校星分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫軟件。

誤差計算按照規(guī)定分別輸入火控雷達觀測的目標（星星）方位角數(shù)據(jù)、高低角數(shù)據(jù)以及通過艦炮校靶裝置觀測的目標（星星）方位角數(shù)據(jù)、高低角數(shù)據(jù)，軟件自動解算出艦炮武器系統(tǒng)機械零位誤差值。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計的實現(xiàn)是軟件對每次計算的誤差值自動記錄，形成數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)可隨時調(diào)取。

數(shù)據(jù)糾錯的實現(xiàn)是個別輸入的目標（星星）方位角數(shù)據(jù)、高低角數(shù)據(jù)可能因為操作錯誤等原因?qū)е聰?shù)據(jù)錯誤或誤差超過規(guī)定值，軟件自動剔除這些數(shù)據(jù)，確保解算誤差值的可靠性。

4結(jié)語

基于CCD光電成像靶面的艦炮校靶裝置可以在晝夜條件下便捷的完成艦炮機械零位誤差檢查，提高了檢查精度和自動化程度，有效縮短了艦炮武器系統(tǒng)技術(shù)準備的時間。

參考文獻

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Design and Realization of The warship Cannon Rectify Target Installation

on CCD Photoelectricity Picture Target Surface

CHENG Jie

（Dept. of Ordnance， Naval Scholar Official School， Bangbu Anhui 233012）

Abstract： CCD is a kind of sensor that is easy to join with computer， It is extensive to reign to move the aspect applications such as displacement detection， spectrum analysis and automatic control. In the case of introduce the design ideas of the warship cannon rectify target installation on CCD photoelectricity picture target surface， The form and design realization of the installation has been elaborated. The design of the hardware system and the software system has been analysed in detail. The design of the hardware system includes the optical system design， the illumination system design and the mechanical design.

Keywords： CCD;the warship cannon rectify target installation