CN104833481A - 周视观瞄仪跟踪精度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种周视观瞄仪跟踪精度检测装置和检测方法，检测装置包括目标运动单元、设置于目标运动单元上的目标模拟单元、伺服控制单元和人机测控单元，各个单元均设置有控制处理器和数据交换单元，各个数据交换单元通过电缆联接通讯；目标运动单元包括双轴四框架结构的转台；本发明的检测方法有九个步骤，其原理是通过目标模拟单元模拟出无穷远处目标的方位运动状态，提供给被测仪器，被测仪器跟踪目标，通过对跟踪视频图像的处理得到被测仪器的跟踪精度；本发明可以同时完成俯仰、方位两个运动形式下的跟踪精度检测，满足武器装备中的跟踪系统的研制和战场靠前检测的需求。

Description

周视观瞄仪跟踪精度检测装置及检测方法

技术领域

    本发明涉及到检测技术、光电技术、电控技术、图像处理技术以及精密机械领域；具体涉及一种周视观瞄仪跟踪精度检测装置及检测方法，它通过硬件仿真的方式动态地检测周视观瞄仪的俯仰和方位两个方向的角跟踪精度、角运动精度和角位置精度。

背景技术

周视观瞄仪的多光谱光电跟踪能力直接关系到武器的作战能力，是武器装备战斗力的集中体现，而对动目标的角跟踪精度是反映光电跟踪系统跟踪能力的关键技术指标，因此对光电跟踪系统的角跟踪精度检测是必不可少的一项内容。

目前，国内还没有通用的高精度动态角度标定系统，如果要检测系统的动态角跟踪精度通常是在外场利用靶机作为目标，但靶机的运动规律不易掌握，不能给被测系统提供标准的运动信息，不能定量的得到被测系统的跟踪精度，而且易受天气等其它因素的影响。有些测量装置虽然能够在室内进行检测，但都只能提供方位或俯仰的独立检测，不能完全仿真实战状态。因此国内急需从计量和溯源的需求出发，研制出可以在装配及室内检测环境下标定出动态角跟踪能力的高精度检测系统，且可以同时完成俯仰、方位两个运动形式下的跟踪精度检测，以满足武器装备中的跟踪系统的研制和战场靠前检测的需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述技术中的不足，提供一种室内完成跟踪精度检测的装置，模拟目标可以提供标准的运动（速度、加速度、位置），目标可以同时仿真俯仰和方位的运动。  

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种周视观瞄仪跟踪精度检测装置，包括目标运动单元、设置于所述目标运动单元上的目标模拟单元、伺服控制单元和人机测控单元，所述的各个单元均设置有控制处理器和数据交换单元，各个数据交换单元通过电缆联接通讯；

所述的目标模拟单元包括平行光管和设置于平行光管末端的目标靶板；所述的目标运动单元包括底座，垂直于水平面设置在底座上的方位框轴系组件和平行于水平面设置在方位框轴系组件上的俯仰框轴系组件；所述的俯仰框轴系组件和方位框轴系组件的旋转轴相互垂直，组成双轴四框架结构的转台；在所述的底座上设置有观瞄仪安装盘；

所述的目标运动单元连接伺服控制单元；

所述的目标模拟单元和伺服控制单元连接人机测控单元。

所述的平行光管为大口径的多光谱卡塞格林式平行光管，它设置于俯仰框轴系组件上，包括镜筒，镜筒内的光源，同轴设置于镜筒内的抛物面型主反射镜和双曲面型次反射镜；所述的镜筒前端设置多个窗口，窗口外侧设置有保护盖；

所述的目标靶板为宽光谱目标靶板，它设置于所述镜筒末端，包括ZnS玻璃靶板基底，所述的ZnS玻璃靶板基底表面镀铬，在镀铬层光刻分划线或星点；

 所述的俯仰框轴系组件包括O形框；

所述的方位框轴系组件包括U形框；所述的U形框包括左框，右框和底框；U形框通过其底框设置的芯轴与所述底座连接；

所述的O形框沿其旋转轴方向通过轴承与U形框的左、右框连接；

所述U形框的底框前后端面上各设置一个油压减震器；

在所述的O形框前后侧各设置一个油压减震器碰撞板，其设置位置与所述油压减震器对应。

所述的O形框与U形框均为中空的结构。

所述的伺服控制单元是以工业控制计算机为载体并与专用DSP多轴运动控制系统相结合的两级位置闭环数字复合控制结构。

所述的人机测控单元以工业控制计算机为载体，由三部分软件组成：测试转台运动控制程序、周视观瞄仪角跟踪精度测量程序和人机界面程序。

一种周视观瞄仪跟踪精度检测方法，其特征在于:

所述的周视观瞄仪跟踪精度检测方法步骤如下：

(1).将被测周视观瞄仪安装到本装置的观瞄仪安装盘上;

(2).调整被测周视观瞄仪,使其方位轴和俯仰轴与本装置的方位轴和俯仰轴同轴；

(3).开启本装置的目标模拟单元，模拟目标的像；

(4).调整被测周视观瞄仪，使模拟目标的像出现在被测周视观瞄仪视场中心；

(5).在人机测控单元中输入模拟运动指令，伺服控制单元驱动目标运动单元运动；被测周视观瞄仪进入跟踪状态；

(6).被测周视观瞄仪的CCD相机获取被测周视观瞄仪的像和本系统模拟目标的像，采集的视频信号通过传输线输入人机测控单元；

(7).人机测控单元中的图像处理软件处理数字图像，计算获取被测周视观瞄仪的像和模拟目标的像的位置偏差；

(8).人机测控单元中的数据处理子程序计算被测周视观瞄仪的像和模拟目标的像的位置偏差所对应的角度偏差；

(9).人机测控单元中输出被测周视观瞄仪角跟踪精度的测量结果；

所述的周视观瞄仪跟踪精度检测方法的原理为：

目标模拟单元模拟目标的光点记做S，S以空间某一特定位置P为圆心，以直线OP为旋转的轴线，在与OP相垂直的平面上旋转；S点的出射光线形成以O点为顶点的光锥，O点为光锥的顶点，也是被测周视观瞄仪水平轴和垂直轴的交点，被测周视观瞄仪对S点进行跟踪；其中：a为S点出射光与旋转轴OP的夹角，即光锥的半锥角，也是被测周视观瞄仪视轴与检测系统旋转轴的夹角；b为旋转轴线与水平面的倾角；A为被测周视观瞄仪方位角；E为被测周视观瞄仪俯仰角；当A=0时，以S0为检测系统旋转臂的旋转零点，光学目标从S0运动到S点时，相对于旋转轴线的转角为θ，即角度编码器的转角，θ=ωt，ω为目标匀速运动的角速度，t为目标运动所用时间；量纲：a 、b、A和E：度；ω：弧度/秒；t：秒、θ：度；

检测系统将检测系统中目标模拟单元模拟目标的角速度、角加速度等参数与被测周视观瞄仪的角速度、角加速度等参数进行实时对比，以获得周视观瞄仪的角跟踪精度；

周视观瞄仪跟踪精度检测装置采用数字图像处理方法获得被测周视观瞄仪的像和检测系统模拟目标的像的位置偏差，经过人机测控单元的计算进而获得周视观瞄仪的角跟踪精度；其计算步骤为：

目标模拟单元（2）的像S₁的坐标为（X₁，Y₁）；被测周视观瞄仪的像S₂的坐标为（X₂，Y₂），S₁和S₂的位置偏差ΔX和ΔY为：

ΔX= X₁ - X₂

ΔY= Y₁- Y₂

两像均由被测周视观瞄仪的CCD相机获得，因而两个像的质点坐标都是以CCD相机的像素为基本单位，ΔX和ΔY是CCD相机像素的整数倍；

S₁和S₂的位置偏差所对应的ΔX角度ΔX_α表征被测周视观瞄仪的角跟踪精度。

本发明的有益效益是：

1. 本发明可以同时完成俯仰、方位两个运动形式下的跟踪精度检测，满足武器装备中的跟踪系统的研制和战场靠前检测的需求；

2. 本发明卡塞式平行光管的设计提供平行光模拟无穷远处的目标，这样就可以在小视场下进行光电稳定跟踪平台跟踪性能检测；卡塞格林式平行光管的镜筒前端设计了多个小窗口与被测周视观瞄仪的光学窗口相对应，这样在每次调试前只需将对应的小窗口上的保护盖去掉即可，方便实用。

3. 本发明应用CCD成像系统获取图像并计算出模拟目标像和被测周视观瞄仪像的位置坐标，跟踪偏差量可以根据系统参数转换成实际的偏差量，从而将被测周视观瞄仪跟踪精度实时显示在系统的界面上。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明目标模拟单元的结构示意图；

图3是本发明的俯仰框轴系的结构示意图；

图4是本发明的方位框轴系的结构示意图；

图5是本发明的配重与防碰结构示意图；

图6本发明的检测系统工作原理示意图；

图中，1-目标运动单元，2-目标模拟单元，3-伺服控制单元，4-人机测控单元，5-平行光管，6-目标靶板，7-底座，8-方位框轴系组件，9-俯仰框轴系组件，10-观瞄仪安装盘，11-镜筒，12-光源，13-抛物面型主反射镜，14-双曲面型次反射镜，15-O形框，16-U形框，17-油压减震器，18-油压减震器碰撞板。

具体实施例

下面结合附图对本发明进一步的说明，如图1至图5所示的一种周视观瞄仪跟踪精度检测装置，包括目标运动单元1、设置于所述目标运动单元1上的目标模拟单元2、伺服控制单元3和人机测控单元4，所述的各个单元均设置有控制处理器和数据交换单元，各个数据交换单元通过数据/信号电缆联接通讯；

目标模拟单元2包括大口径的多光谱卡塞格林式平行光管和设置于多光谱卡塞格林式平行光管末端的目标靶板6；多光谱卡塞格林式平行光管设置于俯仰框轴系组件8上，多光谱卡塞格林式平行光管包括镜筒11，镜筒11内的光源12，同轴设置于镜筒11内的抛物面型主反射镜13和双曲面型次反射镜14；镜筒11前端设置4个窗口，窗口外侧设置有保护盖，这样在每次调试前只需将对应的小窗口上的保护盖去掉即可；

多光谱卡塞格林式平行光管的镜筒11采用线切割技术一体加工内筋和外筋；为了保证卡塞格林光学系统的像质特性，通过调整垫圈的机械设计结构，使镜筒11、抛物面型主反射镜13和双曲面型次反射镜14间距达到理论要求，实现了高精度配合；

目标模拟单元2可以提供一个远距离、宽光谱目标（含红外、可见光波段），既能用于测试周视观瞄仪的电视摄像机系统，也可以用于测试周视观瞄仪红外热成像系统；目标靶板6为宽光谱目标靶板，它设置于所述镜筒11末端，包括ZnS玻璃靶板基底， ZnS玻璃靶板基底表面镀铬，在镀铬层光刻分划线十字分划板或星点板等多种图案，在同一个实际温度下，可以产生目标与背景的温差，通过可见光源照射目标靶板图案，产生红外目标的同时产生一个可见目标，避免了在可见分划板和红外分划板之间更换引入的误差；

目标运动单元1包括底座7，垂直于水平面设置在底座7上的方位框轴系组件8和平行于水平面设置在方位框轴系组件8上的俯仰框轴系组9件；所述的俯仰框轴系组件9和方位框轴系组件8的旋转轴相互垂直，组成双轴四框架结构的转台；在底座7上设置有观瞄仪安装盘10；

根据本发明目标模拟单元所需要的运动特征，俯仰框轴系组件9和方位框轴系组件8采用现有技术中的一种U-O转台，U-O转台是常见的三轴仿真转台，常用于模拟被测单元的仿真运动，具体的说，在本发明中方位框轴系组件8包括U形框16； U形框16包括左框，右框和底框；俯仰框轴系组件9包括O形框15；O形框15与U形框16均为中空的结构；U形框16转角范围连续无限，O形框15绕水平轴旋转，俯仰轴转角范围为-20°～+30°，O形框15的结构采用了封闭的箱形截面结构，这种结构具有重量轻，刚性好的优点，其内腔设计有加强筋；O形框15沿其旋转轴方向通过轴承与U形框16的左、右框直接固联，O形框15与U形框16的左、右框连接处各设置一个直流俯仰力矩电机，力矩电机转子直接与轴承固联，电机力矩足够大，用以满足角加速度25°/s2的要求；O形框15右轴端套装高性能的角度编码器，安装和调整都很方便；O形框15右端边界处设有霍尔开关与行程触点开关作为电气限位保护；在O形框15的旋转轴垂直位置的一端的大圆孔上安装目标模拟单元2，使多光谱卡塞格林式平行光管对准观瞄仪上的四个窗口，另一端安装配重杆和配重盘，其可根据目标模拟单元2的情况在一定范围内调整，调节俯仰框轴系组件9基本平衡；

U形框16基本为左右对称， U形框16的左、右框各设置一个自行配置预紧力的角接触球轴承，既有定心功能，又有另一方向上的止推功能，具有大的抗倾覆能力与支承刚度以克服不平衡力矩；U形框16的左、右框底端通过外框过渡盘各设置有一个方位力矩电机；U形框16的底框处套装角度编码器；U形框16底框处固定方位框滑环，方位框滑环采用中空结构，转动部分固定在U形框上，固定部分固定在U形框16的芯轴上；为保证U形框16的高刚度，U形框16的材料采用高强度铸造铝合金ZL114A，U形框16底框的厚度近似为U形框16的左、右框的2倍，U形框16截面内适当配置必要的筋板，此结构形式可降低U形框16的左、右框的劣势，减轻重量，增强U形框16的刚度，更能保证俯仰框轴系的回转精度；U形框16的左、右框各配置四条竖筋，两圈横筋，加强了U形框16的左、右框整体刚度和局部刚度；U形框16上直接设置O形框15的轴承安装孔，提高方位框架刚度，有助于提高方位框轴系动态性能；

U形框16的底框前后端面上各设置一个油压减震器18；在O形框15前后侧各设置一个油压减震器碰撞板17，其设置位置与油压减震器18对应；两个油压减震器碰撞板17分别碰撞同侧的油压减震器18，用于O形框15的机械限位，以保护被测设备负载和转台。

所述的周视观瞄仪跟踪精度检测方法步骤如下：

(1) 将被测周视观瞄仪安装到本装置的观瞄仪安装盘上;

(2) 调整被测周视观瞄仪,使其方位轴和俯仰轴与本装置的方位轴和俯仰轴同轴；

(3)开启本装置的目标模拟单元2，模拟目标的像；

(4)调整被测周视观瞄仪，使模拟目标的像出现在被测周视观瞄仪视场中心；

(5)在人机测控单元4中输入模拟运动指令，伺服控制单元3驱动目标运动单元1运动；被测周视观瞄仪进入跟踪状态；

(6)被测周视观瞄仪的CCD相机获取被测周视观瞄仪的像和本系统模拟目标的像，采集的视频信号通过传输线输入人机测控单元；周视观瞄仪的CCD相机能够获取被测周视观瞄仪的十字分划像和检测系统模拟目标的十字分划像的视频图像，并能以每秒25帧的速度将视频信号传送给外部设备；

(7) 人机测控单元4中的图像处理软件处理数字图像，计算获取被测周视观瞄仪的像和模拟目标的像的位置偏差；

(8) 人机测控单元4中的数据处理子程序计算被测周视观瞄仪的像和模拟目标的像的位置偏差所对应的角度偏差；

(9) 人机测控单元4中输出被测周视观瞄仪角跟踪精度的测量结果。

所述的周视观瞄仪跟踪精度检测方法的原理为：

如图6所示，S是检测系统上模拟目标的光点，S以空间某一特定位置P为圆心，以直线OP为旋转的轴线，在与OP相垂直的平面上旋转。S点的出射光线形成以O点为顶点的光锥，O点为光锥的顶点，也是被测周视观瞄仪水平轴和垂直轴的交点，被测周视观瞄仪对S点进行跟踪。其中：a为S点出射光与旋转轴OP的夹角，即光锥的半锥角，也是被测周视观瞄仪视轴与检测系统旋转轴的夹角；b为旋转轴线与水平面的倾角；A为被测周视观瞄仪方位角；E为被测周视观瞄仪俯仰角。以S₀为检测系统旋转臂的旋转零点此时A=0，光学目标从S₀运动到S点时，相对于旋转轴线的转角为θ（也是轴角编码器的转角），θ=ωt，ω为目标匀速运动的角速度，t为目标运动所用时间；量纲：a 、b、A和E：度；ω：弧度/秒；t：秒、θ：度；

被测周视观瞄仪的跟踪性能取决于检测系统的三个参数：a、b和θ(ωt)；

被测周视观瞄仪跟踪精度检测装置采用数字图像处理方法获得被测周视观瞄仪的像和检测系统模拟目标的像的位置偏差，经过人机测控单元4的计算进而获得周视观瞄仪的角跟踪精度；其计算步骤为：

目标模拟单元2的像S₁的坐标为（X₁，Y₁）；被测周视观瞄仪的像S₂的坐标为（X₂，Y₂），S₁和S₂的位置偏差ΔX和ΔY为：

ΔX= X₁ - X₂

ΔY= Y₁- Y₂

两像均由被测周视观瞄仪的CCD相机获得，因而两个像的质点坐标都是以CCD相机的像素为基本单位， ΔX和ΔY是CCD相机像素的整数倍；

每个像素（以横向坐标为例）所对应的角度大小α_X为例：

S₁和S₂的位置偏差ΔX所对应的角度ΔX_α表征被测周视观瞄仪的角跟踪精度：

。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种周视观瞄仪跟踪精度检测装置，其特征在于：

所述的检测装置包括目标运动单元（1）、设置于所述目标运动单元（1）上的目标模拟单元（2）、伺服控制单元（3）和人机测控单元（4），所述的各个单元均设置有控制处理器和数据交换单元，各个数据交换单元通过电缆联接通讯；

所述的目标模拟单元（2）包括平行光管（5）和设置于平行光管（5）末端的目标靶板（6）；所述的目标运动单元（1）包括底座（7），垂直于水平面设置在底座（7）上的方位框轴系组件（8）和平行于水平面设置在方位框轴系组件（8）上的俯仰框轴系组件（9）；所述的俯仰框轴系组件（9）和方位框轴系组件（8）的旋转轴相互垂直，组成双轴四框架结构的转台；在所述的底座（7）上设置有观瞄仪安装盘（10）；

所述的目标运动单元（1）连接伺服控制单元（3）；

所述的目标模拟单元（2）和伺服控制单元（3）连接人机测控单元（4）。

2.根据权利要求1所述的周视观瞄仪跟踪精度检测装置，其特征在于：

所述的平行光管（5）为大口径的多光谱卡塞格林式平行光管，它设置于俯仰框轴系组件（9）上，包括镜筒（11），镜筒（11）内的光源（12），同轴设置于镜筒（11）内的抛物面型主反射镜（13）和双曲面型次反射镜（14）；所述的镜筒（11）前端设置多个窗口，窗口外侧设置有保护盖；

所述的目标靶板（6）为宽光谱目标靶板，它设置于所述镜筒（11）末端，包括ZnS玻璃靶板基底，所述的ZnS玻璃靶板基底表面镀铬，在镀铬层光刻分划线或星点。

3.根据权利要求1或2所述的所述的周视观瞄仪跟踪精度检测装置，其特征在于：

所述的俯仰框轴系组件包括O形框（15）；

所述的方位框轴系组件包括U形框（16）；所述的U形框（16）包括左框，右框和底框；U形框（16）通过其底框设置的芯轴与所述底座（7）连接；

所述的O形框（15）沿其旋转轴方向通过轴承与U形框（16）的左、右框连接。

4.根据权利要求3所述的所述的周视观瞄仪跟踪精度检测装置，其特征在于：所述U形框（16）的底框前后端面上各设置一个油压减震器（17）；

在所述的O形框（15）前后侧各设置一个油压减震器碰撞板（18），其设置位置与所述油压减震器（17）对应。

5.根据权利要求4所述的周视观瞄仪跟踪精度检测装置，其特征在于：所述的O形框（15）与U形框（17）均为中空的结构。

6.根据权利要求5所述的周视观瞄仪跟踪精度检测装置，其特征在于：所述的伺服控制单元（3）是以工业控制计算机为载体并与专用DSP多轴运动控制系统相结合的两级位置闭环数字复合控制结构。

7.根据权利要求6所述的周视观瞄仪跟踪精度检测装置，其特征在于：所述的人机测控单元（4）以工业控制计算机为载体，由三部分软件组成：测试转台运动控制程序、周视观瞄仪角跟踪精度测量程序和人机界面程序。

8. 一种周视观瞄仪跟踪精度检测方法，其特征在于:

所述的周视观瞄仪跟踪精度检测方法步骤如下：

(1).将被测周视观瞄仪安装到本装置的观瞄仪安装盘上;

(2).调整被测周视观瞄仪,使其方位轴和俯仰轴与本装置的方位轴和俯仰轴同轴；

(3).开启本装置的目标模拟单元（2），模拟目标的像；

(4).调整被测周视观瞄仪，使模拟目标的像出现在被测周视观瞄仪视场中心；

(5).在人机测控单元中输入模拟运动指令，伺服控制单元（3）驱动目标运动单元（2）运动；被测周视观瞄仪进入跟踪状态；

(6).被测周视观瞄仪的CCD相机获取被测周视观瞄仪的像和本系统模拟目标的像，采集的视频信号通过传输线输入人机测控单元（4）；

(7).人机测控单元（4）中的图像处理软件处理数字图像，计算获取被测周视观瞄仪的像和模拟目标的像的位置偏差；

(8).人机测控单元（4）中的数据处理子程序计算被测周视观瞄仪的像和模拟目标的像的位置偏差所对应的角度偏差；

(9).人机测控单元（4）中输出被测周视观瞄仪角跟踪精度的测量结果；

所述的周视观瞄仪跟踪精度检测方法的原理为：

目标模拟单元（2）模拟目标的光点记做S，S以空间某一特定位置P为圆心，以直线OP为旋转的轴线，在与OP相垂直的平面上旋转；S点的出射光线形成以O点为顶点的光锥，O点为光锥的顶点，也是被测周视观瞄仪水平轴和垂直轴的交点，被测周视观瞄仪对S点进行跟踪；其中：a为S点出射光与旋转轴OP的夹角，即光锥的半锥角，也是被测周视观瞄仪视轴与检测系统旋转轴的夹角；b为旋转轴线与水平面的倾角；A为被测周视观瞄仪方位角；E为被测周视观瞄仪俯仰角；当A=0时，以S₀为检测系统旋转臂的旋转零点，光学目标从S₀运动到S点时，相对于旋转轴线的转角为θ，即角度编码器的转角，θ=ωt，ω为目标匀速运动的角速度，t为目标运动所用时间；量纲：a 、b、A和E：度；ω：弧度/秒；t：秒、θ：度；

检测系统将检测系统中目标模拟单元模拟目标的角速度、角加速度等参数与被测周视观瞄仪的角速度、角加速度等参数进行实时对比，以获得周视观瞄仪的角跟踪精度；

周视观瞄仪跟踪精度检测装置采用数字图像处理方法获得被测周视观瞄仪的像和检测系统模拟目标的像的位置偏差，经过人机测控单元的计算进而获得周视观瞄仪的角跟踪精度；其计算步骤为：

目标模拟单元（2）的像S₁的坐标为（X₁，Y₁）；被测周视观瞄仪的像S₂的坐标为（X₂，Y₂），S₁和S₂的位置偏差ΔX和ΔY为：

ΔX= X₁ - X₂

ΔY= Y₁- Y₂

两像均由被测周视观瞄仪的CCD相机获得，因而两个像的质点坐标都是以CCD相机的像素为基本单位，ΔX和ΔY是CCD相机像素的整数倍；

S₁和S₂的位置偏差所对应的ΔX角度ΔX_α表征被测周视观瞄仪的角跟踪精度。