光学标校技术在舰炮武器系统中的应用研究

为了解决舰炮武器系统瞄星标校受天气影响较大的问题,针对雷达（光电）与舰炮一体化的武器系统,提出了一种不需要参照物的光学标校方法。该方法用激光束将炮管轴线引出,通过不失调光学组件进行平行移动并进入雷达（光电）接收窗口,从而获得雷达（光电系统）轴线与炮管轴线的角度差并进行标校。测试与试验结果表明,该方法具有操作简便、效率高、适时性强、标校误差不大于0.5 mrad等特点,与描星方法标校相比,受天气、环境因素影响较小,对充分发挥舰炮武器系统的作战效能具有显著作用。     

基于双目视觉的火炮身管指向全自动测量方法

火炮装备前或服役过程中需要进行身管指向测量以校正火控系统偏差。目前普遍使用双经纬仪进行身管指向测量,该方法的测量效率低,难以满足未来战场环境下火控系统的快速标校。提出了基于双目视觉的身管指向高精度、自动化测量方法,利用合作标志点分析身管转动,将身管转动分解为先后两次绕轴运动,结合铅垂线测量实现身管指向解算,利用LM(Levenberg-Marquardt)算法进行指向优化,得到身管指向最终结果。于实验室开展了半实物仿真,并在某火炮厂进行了实测验证。结果表明,火炮身管的高低角测量精度优于0.15°,其方向角测量精度优于0.12°,两姿态角的重复性偏差均优于0.0035°。所提方法具备高精度、高鲁棒性、全自动的优势,可实现未来战场环境下火炮身管指向的全自动测量。     

火炮平行性测量系统的设计

火炮瞄准轴和炮膛轴的平行性直接影响火炮弹着点的散布,是需要检测的重要静态参数之一。火炮平行性测量系统基于准直方法而设计,它以右炮管中心轴线为基准,设置与基准轴平行的瞄准光路和两条准直光路,分时对准左炮管、统调镜和瞄准镜,测量它们的轴线与右炮管中心轴的平行度。该系统能够实现35mm双管火炮的近距离单人操作目视测量,也可实现实时自动判读功能。误差分析表明,该系统的测量精度可以达到70″以内,满足设计要求。     

空间光电跟瞄系统多光轴平行性标校研究

为了解决空间光电跟瞄系统在真空环境下的多光轴标校问题,本文首先根据空间光电跟瞄系统的多光轴一致性检测精度要求,设计了一套多光轴标校系统。接着,对多光轴标校系统各子系统进行了详尽的误差分析,并给出了关键子系统的误差影响抑制方法。然后,对通信技术试验卫星三号的空间光电跟瞄系统进行了实验室环境与真空环境下的技术测试,分析了多光轴标校系统在两种测试环境下的误差来源以及测试精度,并给出了测试结果。最后,对多光轴标校系统进行了精度验证。最终结果表明:本文设计的多光轴标校系统在实验室测试环境下的标校精度为0.998″,收发平行度标定误差为1.165″;在真空测试环境下的标校精度为1.219″,收发平行度标定误差为1.359″,完全满足空间光电跟瞄系统1.5″的多光轴检测精度要求,为相关工程应用提供了技术支持。     

一种火炮动态性能测试系统测角精度的测量方法

在先进的火炮动态性能测试系统中,光学系统固有的畸变使得不同视场下的实际焦距不同,间接地影响系统的测角精度。使用一种基于最小二乘法的焦距标定公式,标定不同视场下统一的焦距量,能够有效地降低畸变的影响。利用该方法测得某型火炮动态性能测试系统的测角精度为2.34″,将该系统的测角精度从20″提高到5″以内。证明改进的标定公式有助于提高系统的性能指标。     

基于Matlab和ADAMS的光电稳瞄系统结构控制联合仿真

为了研究多轴多框架光电稳瞄系统的稳定精度并且避免推导其复杂的动力学微分方程,提出了利用Matlab和ADAMS进行光电稳瞄系统结构控制联合仿真的方法。研究了联合仿真模型的方位轴和俯仰轴单位阶跃响应,和在不同方向的随机线振动下的瞄准线惯性角速率,以及在2°、1Hz不同方向角扰动下瞄准线的稳定精度。仿真结果与理论定性分析吻合,表明联合仿真方法可行,可用于后续产品的开发。     

光电成像系统超分辨成像技术方法研究

提出一种提高现有光电观瞄系统成像空间分辨率的新方法.在不改变阵列探测器件像元尺寸和不移动探测器的前提下,利用双光楔的较大移动使像平面发生微小位移,实现对探测器各相邻像元和不感光间隔目标进行微位移采样,提高目标信息的采样率,通过超分辨重建技术来提高系统的分辨能力,达到提高光电观瞄系统空间分辨率的目的.实验结果表明:该方法绕开了微小位移探测器需要克服的技术难题,同时避开了直接减少像元尺寸的工艺问题,且成像分辨率高.     

光电校靶中捷联惯导轴线的表征校准方法

光电校靶采用捷联惯导系统,需将惯导轴线用光电自准直系统表征捷联,用于对设备轴线的测量。光电自准直系统所表征的轴线与惯导轴线的一致性是影响校靶精度的重要因素,为提高光电校靶系统测量精度和效率,提出了一种惯导轴线的光电表征和校准方法。该方法是在分析测量结果偏差与一致性关系的基础上,采用实验数据拟合的方式得到自准直系统光轴与惯导轴之间的角度偏差值,用于系统修正,从而实现高精度校准。通过试验,将传统光机校正法和光电校准法结合使用,可大幅度提高系统校正效率,同时得到惯导与光轴一致性精度在15″以内。试验结果表明,与传统光学平晶引出的光机校正法相比,该方法的表征准确度和校准精度更高,适用于高精度惯性测量系统。     

激光主动探测拼接光学系统的装调设计

介绍由两组视场为8°×6°的光学系统在水平方向拼接为视场不小于15°×6°的探测接收系统。为保证其在整个探测视场范围内的视场拼接质量和角定位精度，对该探测接收系统的装调方法及流程进行了详细设计，对各装调步骤的精度指标进行了分配。重点针对折转光路的光轴平行性、分辨率以及视场拼接的装调方法及要点进行阐述。通过对各装调步骤的精度进行严格控制，最终探测接收系统的测试结果为:焦距f ′=52.7 mm、视场15.2°×6.2°，达到设计指标要求。     

基于导航系统的光电吊舱补漂方法

稳定精度是光电吊舱稳瞄系统的重要指标,为了减少在稳瞄控制中陀螺漂移对稳定精度的影响,需对陀螺漂移进行补偿。提出一种基于导航系统的光电吊舱测漂和补漂方法,即在光电吊舱测漂阶段,通过机载导航系统的位置数据、姿态数据及吊舱轴角值计算地球自转在平台中的分量,测量出更加准确的陀螺漂移;在稳定控制回路中,通过导航系统分别补偿陀螺漂移及地球自转分量。该方法可将陀螺测漂过程中的地球自转分量和陀螺漂移有效分离,并在稳定控制回路中实时调整地球自转分量,从而提高稳瞄系统稳定精度。试验结果表明:通过对比10 min常规测漂和基于导航系统的测漂结果,稳定控制漂移累积误差中俯仰角由常规方法的1.80°减少到0.04°,航向角由0.77°减少到0.04°。     

一种完整测量膜片法拉第效应和损耗的方法

提出了一种能完整测量零锁区激光陀螺法拉第偏频组件中旋光膜片的法拉第旋光效应和超低损耗的方法和自动测量系统.该方法利用双光路正交分解平衡测量原理,通过测量两束光光强平衡时起偏器的偏振方向来确定旋光膜片的法拉第转角和超低损耗.测量结果表明：系统对法拉第转角的测量分辨率小于0.9″,损耗测量分辨率为10 ppm.环境温度的波动对法拉第转角的测量变化很小,但对膜片超低损耗测量影响很大,温度变化8.1 K,膜片损耗测量值变化一个周期.实验及结果证明,该系统能满足超高精度测量的要求.     

基于可变相位延迟的激光干涉式亚纳米级微位移测量系统

激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等优势,所以基于干涉原理对激光光谱进行积分可以应用于微位移测量领域。在重力方法探测过程中,因地质结构不同引起万有引力差异而造成的探测质量块位移十分微小,通常为纳米级,所以研制高精度纳米级微位移测量系统尤为重要。然而传统电容位移测量法在防止电磁干扰等方面存在不足。相比较而言,光学干涉法具备抗电磁干扰、环境适应性强等优点,且精度不亚于电容法。传统干涉系统光路复杂、难于集成,对重力仪的小型化与集成化不利。所以研制一种结构紧凑的光学干涉系统用于实现纳米级微位移测量成为亟需。基于可变相位延迟的激光干涉式方法,能够实现亚纳米级微位移测量,较传统干涉系统具备结构紧凑、易于集成的优势。本微位移测量系统由半导体激光器、起偏器、检偏器、楔形双折射晶体组和光谱仪组成。研究从以下方面展开：首先是确定测量系统方案,提出了偏振光干涉双路结构,以楔形双折射晶体组作为核心器件,将晶体间相对位移转化为o光和e光的差别化相位延迟,并对激光光谱进行积分,进而将位移变化转变为合成光强的变化;其次是建立测量位移物理模型,根据设计的双折射晶体组几何结构、位移过程与光路,确定光强变化与待测位移量之间的关系;第三是系统参数优化,为了使系统的测量误差和量程满足实际需求,利用已建立的物理模型,将测量误差和量程分别与晶体切割角度α、激光器激射波长λ建立函数关系。根据应用需求,确定适当的误差和量程取值范围,进而得到角度α和波长λ取值范围;最后加工晶体、搭建系统并进行测试。具体即以α和λ为调控参量,联合考虑“近似线性化”和“激光器光强波动误差”对系统量程进行优化仿真。同样,联合考虑“激光器光强波动误差”和“激光器波长波动误差”,并利用“系统最大位移量”（与量程有关）对系统测量误差进行优化仿真。最终确定钒酸钇晶体切割角度α为20°,激光器激射波长λ为635 nm。实验中,以10 nm为间隔利用压电陶瓷设置位移量进行位移测试,包括：系统的线性标定、系统量程和测量误差测试。另外,在保持待测位置不变的条件下,利用本位移测量系统进行了2 h不间断测量,并通过阿伦方差确定了系统的位移探测下限。实验结果表明,位移量程范围大于150 nm,位移测量误差约0.5 nm,位移探测下限为0.32 nm@23 s,探测线性度判定系数(R2)为0.999 85。综上所述,以自制楔形双折射晶体组作为核心器件的可变相位延迟激光干涉式微位移测量系统,可作为重力探测中的质量块位移测量单元。与电容法相比具有更强的环境适应性;与传统干涉系统相比具有结构简易、光路紧凑等优点,便于重力仪的小型化与集成化。     

一种完整测量膜片法拉第效应和损耗的方法

提出了一种能完整测量零锁区激光陀螺法拉第偏频组件中旋光膜片的法拉第旋光效应和超低损耗的方法和自动测量系统.该方法利用双光路正交分解平衡测量原理,通过测量两柬光光强平衡时起偏器的偏振方向来确定旋光膜片的法拉第转角和超低损耗.测量结果表明:系统对法拉第转角的测量分辨率小于0.9",损耗测量分辨率为10 ppm,环境温度的波动对法拉第转角的测量变化很小,但对膜片超低损耗测量影响很大,温度变化8.1 K,膜片损耗测量值变化一个周期.实验及结果证明,该系统能满足超高精度测量的要求.     

基于扭秤的激光干涉差动测量微小冲量方法

基于扭秤测量冲量原理,结合激光干涉法差动测量角度的方法,提出一种基于扭秤的激光干涉差动测量微小冲量的方法。介绍系统的基本组成和测量过程,给出扭秤结构设计参数,并对系统参数进行了标定,结合设计参数与标定结果,对系统的分辨率、量程和精度进行了校核,在典型的测量环境下,对激光烧蚀靶材所形成的Ns量级微小冲量进行了测量,给出了典型的测量结果并进行分析。结果表明:所提出的基于扭秤的激光干涉差动测量微小冲量方法,系统分辨率可达10-7Ns量级,测量范围跨5个数量级,最大可以测量10-2Ns量级冲量,测量精度优于95%。     

激光光栅和反射镜姿态调节的高精度开环控制

为了提高高功率激光物理实验中激光束的精密对准度,提出了一种对激光光栅和反射镜姿态进行可视化、高精度调节的开环控制系统。该系统设计为由上位机、下位机和角位移微调机构等部分组成。从应用层通信协议、HostLink(Fins)协议和三维姿态模拟等方面介绍了上位机监控软件的设计;从步进电机驱动器复用、PLC电机断电相位记忆和下位机梯形图程序框图等方面讨论了下位机PLC控制系统设计;分析了角位移微调机构中通过把丝杆螺母的直线微位移转换为角度微位移来达到高精度转角分辨率的实现原理;并用实验数据验证了实际转角分辨率达到高精度设计要求。结果表明这种开环控制系统能够很好的实现对激光光栅和反射镜转角的高精度调节控制,对其他类似实验设备的高精度角度调整也具有借鉴意义。     

五维自由度衍射光栅精密测量系统（英文）

为了在保证结构简单的前提下,实现衍射光栅精密测量系统的大量程、高精度、多维度测量,设计了能够同时测量位移和角度的五维自由度衍射光栅精密测量系统。基于利特罗对称式光路结构,采用高刻线密度的一维衍射光栅以及外差干涉原理实现了沿光栅矢量方向和光栅法线方向的二维位移测量;通过引入高精度的位置灵敏探测器,结合±1级衍射光与光栅之间的角度变化关系实现了对光栅俯仰、偏摆和滚转三个维度的角度误差测量。实验结果表明:该衍射光栅精密测量系统能够实现分辨力优于4 nm的二维位移测量以及分辨力优于1″的三维角度测量,其位移测量范围只受限于光栅的尺寸,量程大大增加。该衍射光栅精密测量系统在精密测量领域有重要意义。     

脉冲激光探测方位角磁电检测技术

针对常规弹药脉冲激光周向探测系统无法精确获取目标方位信息的问题,设计了基于磁电检测的单光束激光引信全向方位角探测方案.对磁电检测系统进行建模,建立圆柱形永磁体转动磁场模型,推导出磁阻传感器所测位置磁场的解析式,验证所测磁场为一正弦磁场信号.依据此正弦信号,设计了上升沿阈值周期检测算法,并运用FPGA与TDC-GP21对激光回波出现时间与电机转速信号周期进行高准确度时间间隔测量实现方位角的解算.依据方案设计原理样机并编写上位机程序,进行方位角探测实验.实验结果表明:磁电检测系统采用多重屏蔽方法,能有效抑制电磁干扰;并能实时监测电机转速,实现方位角解算,方位角解算误差在±2°以内.满足激光引信方位角测量的高准确度、抗干扰能力强等要求.     

激光法红外热像镜组中心偏测量与调校研究

论述了多镜片成像光学镜组中心偏的理论表征 ,以及自准反射旋转法测量中心偏的原理。设计了用于红外光学镜组的中心偏检测系统。系统包括用于 8～ 14 μm红外光学系统中心偏测量的CO2 激光 ;可调焦望远镜 ;采用TGS热释电热像仪与计算机配合的数据读出及处理系统 ;径向跳动≤ 1μm ,轴向晃动≤ 1″的高精密基准轴工作台。系统测量中心偏精度为 :角度≤ 2″ ,线度≤ 0 .0 2mm。给出了中心偏数据处理程序。系统也可用于在线装校 ,更换光源 (用He Ne激光代替CO2 激光 )系统可用于 3～ 5 μm红外光学系统的测量。进一步改进并利用激光的相干特性 ,系统可实现中心偏测量精度≤ 1μm。     

外场多光轴瞄准偏差测试的基准光轴建立方法

提出一种针对外场真实环境下可见光、激光和红外多光轴瞄准系统瞄准偏差测试的基准光轴建立方法.采用精密大地测距、测角技术获得观测仪器站址坐标、基准光轴方向和靶标中心位置,通过对标定靶标上的中心点作测距和测角观测,并对基准光轴方向大气折射和地球曲率引入的误差进行改正,获得基准光轴、激光和红外系统在靶标上的精确位置.理论分析和实际测试结果表明,该方法具有理论严密、测量准确度高、工程上易于实现的优点,在2 km范围内基准光轴误差小于4.5″,完全满足多光谱多光轴动态瞄准偏差测试中基准光轴准确度的要求.