关于激光测距机光轴平行性校正方法的改进
关于激光测距机光轴平行性校正方法的改进
作者:骆新新;刘秉琦;孙东平;马健
与一般光学激光测距仪相比, 激光测距技术具有操作方便、系统简单和昼夜可用的优点, 早在20 世纪60年代就已在部队服役。作为最早的军用激光装备,激光测距机已批量装备部队, 它能迅速准确地测定目标距离, 提高作战能力, 而激光测距机的测距精度与激光测距机的激光发射轴、激光接收轴和观察瞄准轴的平行性有着至关重要的联系, 只有保证了三光轴的平行性才能保证激光测距机的测距精度,实现其快速、准确地测量目标距离。
由于激光测距机的光学系统在结构设计和生产中保证了瞄准光轴与接收光轴平行, 所以三轴平行性的校正实际上变成了激光发射轴与瞄准轴两光轴的平行性校正。
目前, 激光测距机光轴的校正一般采用“激光打点法”, 即专业人员根据激光测距机所采用的校正调整方式, 每调整一次, 调整镜就通过“激光打点法”观察激光斑点与瞄准光轴十字分划中心是否重合来检查一次调整效果, 直到激光斑点与分划中心符合要求为止。由于光轴校正涉及的问题比较多,一般都是在工厂或修理所由经验丰富的专业人员根据经验操作。伴随着武器科技含量的不断提高,武器装备变得越来越复杂, 对装备的维护保养和性能检测提出了更高的要求, 数字智能化检测已成为各类新型武器装备的发展趋势。而对激光测距机光轴的校正仍然存在智能化程度不高等问题: 对维修人员要求高, 自动化程度低, 误差较大, 工作效率低, 很难适应高科技条件对装备的维修与性能检测越来越高的要求。
本文对光轴的误差量与校正量之间的关系进行了量化, 通过特定的光轴校正装置实现光轴的校正。改进后的校正方法对校正人员要求降低, 避免了由于专业人员紧缺而导致无法及时对测距机进行检测校正, 从而实现对测距机光轴的及时校正。
1 校正模型
校正激光测距机光轴平行, 可采用径向移动瞄准系统的分划板或径向移动物镜的方法实现瞄准光轴方向的改变, 通常是利用径向移动瞄准物镜的方法。因此, 光轴的校正是通过瞄准物镜的径向移动来实现的。而大多数激光测距机中瞄准物镜是通过旋转瞄准系统中的偏心环和偏心物镜框来实现物镜中心的径向移动, 从而实现光轴的校正, 达到光轴平行的目的。由此可见, 光轴偏差量与偏心环和物镜框旋转角度之间存在着对应关系, 只要找到这种对应关系就可有规律地调整偏心环和物镜框,校正光轴平行。
本文针对具有偏心环和偏心物镜框这种双偏心结构的激光测距机改进了校正光轴平行性的方法。激光测距机发射激光, 由CCD 传感器代替传统方法中的相纸, 对激光测距机发射的激光斑点和瞄准分划线进行采集, 得到光轴偏差量。由于光轴的校正是通过旋转瞄准系统中的偏心环和偏心物镜框实现的, 所以光轴偏差量与偏心环和偏心物镜框的旋转角度之间存在着某种确定的对应关系, 即校正模型, 通过这种校正模型可计算出校正量 (偏心环和物镜框的旋转角度) , 然后利用光轴校正装置旋转偏心环和物镜框实现激光测距机的光轴调整,如图1 所示。校正模型的框图如图2 所示, 通过传感器可以得到光轴的偏差量, 然后通过建立的数学模型可求得校正量, 即偏心环(框) 的旋转角度。
偏心环和物镜框的旋转角度关系,校正光轴前物镜框与偏心环薄边分别在W 、P 两点处, 物镜主点落在以OQ , OR 为两边的平行四边形对角线顶点S 处, 设物镜框和偏心环的偏心量均为。同时拨动物镜框与偏心环, 使其薄边分别落在W ′和P ′处, 物镜主点移至以OQ ′和OR ′为两边的平行四边形对角线顶点S ′处。即拨动过程中物镜中心实际上由S 点移动到了S ′点, 位移量为S S ′。故有S S ′= ∆′。Α为初始位置处物镜框与偏心环薄边与中心的夹角, 即OW 与O P 之间的夹角; Η为偏心环旋转角度, 即O P 与O P ′之间的夹角; Υ为物镜框旋转角度, 即OW 与OW ′之间的夹角。
光轴的校正模型将激光测距机的光轴误差与双偏心结构的调整量之间的关系进行了量化。只要知道激光测距机物镜焦距f 物′,平行光管准直物镜焦距f ′准, 像点偏移量∃x 和∃y ,初始位置时物镜框与偏心环薄边的夹角Α以及偏心量 l, 就可以计算出物镜框与偏心环旋转的角度,而f 物′、f 准′和l 属于系统参数, Α由初始位置可知, 所以校正光轴时只需测量出像点偏移量∃x 和∃y , 即可求出偏心环和物镜框的旋转角度, 通过旋转双偏心结构即可校正光轴。
2 校正方法
由于在传统的校正方法中, 光轴的误差与双偏心结构的调整量之间没有量化的关系, 所以只有根据经验调整双偏心结构, 并且调整一次就需要检测一次光轴误差, 过程比较繁琐。通过建立光轴校正模型, 可以通过光轴误差量得到双偏心结构的调整量。在对激光测距机光轴进行校正时, 首先应检测光轴误差量, 然后由校正模型计算出双偏心结构的旋转角度, 最后通过光轴校正装置对双偏心结构进行调整, 使其转动相应的角度, 实现对光轴的调整。
光轴的校正方法可以分为半自动校正和全自动两种。
2. 1 半自动校正方法
半自动校正方法的原理是在激光测距机双偏心结构外侧加一个刻度环, 用2 个偏心套筒控制偏心环和物镜框旋转。通过刻度环获知校正前物镜框和偏心环分别对应的刻度值, 即初始夹角Α, 利用光轴平行性检测系统检测激光光斑与分划中心的偏差量∃x 与∃y , 将 ∃x 与∃y 代入校正模型, 计算可得到物镜框和偏心环分别应调整的角度值, 进而得知其对应的刻度值, 通过偏心套筒带动偏心环和物镜框转动至其相对应的刻度值, 即可校正瞄准光轴。
2. 2 全自动校正方法
全自动校正方法是在半自动校正方法的基础上进行了改进, 通过采用步进电机代替人手进行自动的调整与校正, 2 个步进电机带动外部的机械传动机构分别卡在物镜框和偏心环的薄边位置, 由于偏心环或物镜框上 2 个卡槽的连线与薄边与厚边的连线相互垂直, 所以此时2 个电机的夹角即为系统的初始夹角Α。利用CCD 传感器可得知激光光斑与瞄准分划中心的偏差量∃x 与∃y , 通过校正模型计算可得到物镜框和偏心环分别应调整的角度值。对步进电机的控制可采用单片机控制方法, 将得到的调整角度值传输给单片机控制系统, 其发出控制命令, 即可控制步进电机旋转相应的角度值, 带动双偏心结构转动, 从而达到校正光轴的目的。
通过以上分析可见, 这两种方法虽然有所区别, 但都是根据激光测距机的光轴误差使双偏心结构旋转一定的角度, 实现对光轴的校正, 避免了传统方法的多次校正过程。
3 实验研究与精度分析
由于激光测距机分划板上读取角度的精度为0. 105m rad或0. 209m rad (略大于0. 1 或0. 2m rad) ,因此只要检测精度达到0. 1 m rad 即可满足使用要求。以本文中所选激光测距机为例, 其双偏心物镜的焦距 f≈ 140 mm , 物镜框与偏心环的偏心量 l= 0. 5 mm。考虑极限情况, 即光轴校正前物镜框与偏心环的薄边重合, 光轴校正后物镜框与偏心环厚边恰好重合于原薄边位置, 这一过程中物镜框与偏心环均转过了 180 ,°而光轴的校正量为 2×2lf ≈ 14 m rad, 则光轴方向上每改变1 m rad 对应物镜框和偏心环转过约 1. 3°。所以, 只要校正精度高于1. 3°即可满足精度要求。
对于半自动校正方法而言, 只要刻度环最小刻度值< 1. 3°即可满足精度要求; 对全自动校正方法而言, 只要步进电机细分后每步转的角度< 1. 3°即可满足精度要求。
对某型激光测距机进行实验研究, 实验采用半自动校正方法, 实验结果如表 1 所示。表中分别给出了用传统的平行光管法和本文提出的CCD 直接采集方法检测的光轴平行性结果和校正后光轴的平行性误差。由表中数据可见, 采用本文提出的方法进行光轴校正后误差均在最大允许误差范围内(0. 25 m rad) , 因此本文提出的校正方法对激光测距机光轴的检测校正是可行的。
4 结束语
本文对传统的激光测距机光轴校正方法提出了改进方案, 建立了光轴误差量与双偏心结构校正量之间的校正模型, 提出采用半自动校正方法和全自动校正方法对双偏心结构进行调整, 并对两种校正方法的精度进行了分析。通过实验分析可知, 改进后的方法能够减少校正激光测距机光轴的繁琐过程,使其更加方便、简单, 能够在野战条件下对激光测距机进行光轴的检测与校正, 解决了传统方法需要送至工厂或修理所由专业人员进行检校的缺陷。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除