单兵武器火控多参数检测系统及关键技术研究

摘要

随着光电技术的飞速发展，单兵武器火控作战系统已成为国家安全依赖的战略性需求，是未来高科技反恐战争与局部战争依赖的一种高新技术产品。在目前高强度电子对抗条件下，单兵武器火控作战系统作为未来理想单兵战斗武器，将突击步枪、榴弹发射器与火控设备合一，摒弃了传统的视轴与目标简单对准的射击原理，具有昼夜观瞄、测距、环境温度探测和步枪弹/榴弹瞄准点自动装表、信息输出等功能，以其精确打击目标的优势被广泛应用于军事领域。目前，单兵武器火控系统性能参数检测手段却很落后，部分参数的检测方法尚处于靶场立靶的主观测量，无法满足现阶段高性能的单兵武器火控设备的检测需求。因此，根据单兵武器火控多参数检测现状，本文针对某型单兵武器火控设备的弹道装表解算精度、瞄准点移动精度、瞄准点移动范围，火控设备的测距精度、作用距离、枪目角测量精度、环境温度测温精度等多参数的检测问题，开展了单兵武器火控多参数检测系统及关键技术研究，对提高我国单兵武器火控作战系统的整体性能具有重要意义。
　　通过查阅大量国内外相关文献资料，研究了单兵武器火控设备组成与各部分功用。在此基础上，系统总结了检测系统的研究背景、目的意义及其国内外研究现状。在研究半实物模拟技术的基础上，针对单兵武器火控多参数的检测需求，给出了检测系统的总体设计方案、技术指标、系统组成与各部分功用；重点研究了弹道解算装表精度的检测原理、测试流程及瞄准点移动量的检测原理。
　　基于角运动模拟技术，采用俯仰回转台模拟火控设备精准射击姿态时的枪目角。根据技术指标完成了俯仰回转台的整体结构设计、电机的选取与轴系尺寸设计，在此基础上，研究其控制方案；采用变密度法的拓扑优化方法对俯仰回转台进行最小质量结构优化。利用有限元分析方法，对转台进行自重、模态、热（冷）变形、频率响应进行分析，确保枪目角模拟分系统在野外靶场环境下的使用可靠性与环境适应性。
　　采用计数器法与时幅转化相结合的方法，研究了激光回波大气传输距离模拟技术，其模拟距离将作为弹道装表解算精度检测的测距信息真值。针对距离模拟完成了该模拟器的接收模块驱动电路设计、高精度延时模块的软件核心程序与斜坡延时电路设计、辐射模块激光器驱动电路设计；采用MODTRAN大气传输数据库与半波片和偏振片组合的方法，进行了激光大气传输回波能量模拟技术的研究。在激光回波功率数学模型基础上，完成了激光辐射模块激光器功率的选取与准直物镜设计，通过调用MODTRAN大气传输数据库确定国军标 GJB2241A中仲裁试验中能见度距离、温度湿度、气压等标准大气环境参数，依据这些参数计算激光大气传输透过率，并采用半波片和偏振片组合实现了模拟器辐射模块透过率0~1之间高精度连续变化，结合毛玻璃以实现激光在大气传输后回波能量大小与分布的复现。
　　针对火控瞄具瞄准点移动量的测量，建立了基于机器视觉判读的检测数学模型。为同时满足瞄准点移动精度与移动范围两项指标高分辨率、大视场的检测需求，借助MATLAB仿真分析软件计算变焦镜头各组态初始参数，采用ZEMAX完成了CCD相机变焦镜头的设计；针对光学设计完成后的大视场时短焦组态下的畸变现象，提出了基于直线特征的视场仪棋盘格分划畸变校正方法，将带权重因子的弯曲测度做为指标函数，离图像中心不同距离的曲线给予不同的权重值，作为求取最终畸变参数的目标函数，在最小化目标函数过程中求解出最优畸变系数进而校正畸变；研究了火控瞄具箭头靶标的机器视觉识别方法。
　　依据-40oC~+60 oC的瞄准点移动量检测工作温度指标，进行了变焦镜头热光学特性分析与挠性压圈被动消热差结构优化研究。手动划分高质量的六面体网格进行仿真建模，并考虑了硫化胶层（RTV）对镜头热光学特性的影响。提出了一种挠性压圈的被动消热差结构，并通过优化挠性压圈的结构参数，使得光机结构在轴向温变位移可控。结合 Zernike多项式拟合优化后的光机结构在温度变化后各组元镜片面形，通过ZEMAX分析温度载荷下的变焦镜头的成像质量。通过温度应力可靠性实验对热光学分析结果与变焦镜头的温度适应能力进行验证。
　　全面分析了检测系统各参数检测的检测精度，完成了相应的检测精度验证试验，结果表明所研究的单兵武器火控多参数检测系统是正确可行的。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 课题来源及目的意义

1.3 武器火控检测系统的国内外研究现状

1.4 检测系统技术指标与性能要求

1.5 主要研究内容

1.6 本章小结

第2章 基于半实物模拟技术的检测系统总体设计

2.1 半实物模拟技术概述

2.2 系统组成及多参数检测原理

2.3 本章小结

第3章 枪目角模拟分系统机械设计与结构分析优化

3.1俯仰回转台机械结构设计

3.2 俯仰回转台支撑框架拓扑优化

3.3 俯仰回转台控制系统设计

3.4 基于有限元法的俯仰回转台结构特性分析

3.5 本章小结

第4章 激光回波模拟分系统设计与激光大气回波模拟技术

4.1激光回波模拟分系统组成与工作原理

4.2 激光回波距离模拟子系统设计

4.3激光回波能量模拟子系统设计

4.4 本章小结

第5章 基于机器视觉的瞄准点移动量检测技术与相应光学系统设计

5.1 CCD相机变焦镜头光学设计

5.2 基于直线特性的镜头畸变数字图像校正方法

5.3 瞄具分划箭头靶标的机器视觉识别方法

5.4 本章小结

第6章 CCD相机镜头热光学分析技术与被动消热结构优化

6.1热光学理论

6.2 变焦镜头热光学特性分析与被动消热优化设计

6.3 温度可靠性试验

6.4 本章小结

第7章 检测系统精度分析与实验验证

7.1 弹道解算装表量检测精度分析

7.2 瞄准点移动精度检测精度分析

7.3 弹道解算装表量检测精度实验验证

7.4 瞄准点移动精度检测实验验证

7.5 本章小结

第8章 总结与展望

8.1全文工作总结

8.2创新点

8.3 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻读博士期间的学术成果与科研情况