CN109154486A - 炮膛瞄准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种炮膛瞄准装置，用于装配炮塔(1)，炮塔安装有炮(4)和一个或多个基于光学器件的瞄准系统(10)，所述装置包括：偏转目标(3)，其位于炮(4)的外部上，与所述枪(4)的炮口制退器(6)平齐；和壳体(2)，其位于炮(4)的外部上，与所述炮(4)的移动掩体(5)平齐，所述壳体(2)包括配备偏转摄像机的第一光学系统(7)和配备炮膛瞄准摄像机的第二光学系统(8)。

Description

炮膛瞄准装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于使瞄准线与射击线对准的方法和装置，通常叫做炮膛瞄准装置(boresighting device)，用于武器系统，优选地是大口径武器系统(75mm到140mm)。

背景技术

在武器系统上，射击线和瞄准线之间的错位对精确击中目标是不利的。有两个主要的错位来源。第一个错位来源是炮筒的物理变形，通常叫做偏转，其自然地且不可避免地出现，是水平地且竖直地，是由于炮筒的相对重的重量和外部条件(雨、风、太阳，等等)的结果。此变形导致来自炮筒的轴的射击线和来自炮筒的炮口的射击线之间的平行度缺陷。第二个错位来源在于驱动和射击过程中经历的冲击和振动，其导致相对于之前校准的对准的偏差。

存在不同的用于使射击线与瞄准线对准的装置，或者换句话说，使武器系统炮膛瞄准。

存在传统的炮膛瞄准技术，其中，该装置基于两个操作员之间的配合，第一个操作员位于炮塔中，而第二个操作员位于炮塔外，靠近炮筒的炮口。原理基于光准直器，并在文献US 1,994,177中进行描述。光准直器由第二个操作员放在炮筒的炮管内，并使第一个操作员看到与射击线对准。换句话说，第二个操作员告知第一个操作员必须如何移动炮筒使得他可通过观察孔看见如何定位参考目标。此装置的一个主要缺点是，其需要两个操作员，包括车辆外部的一个，即，直接暴露于外部威胁。而且，其需要梯子以使第二个操作员能够到达炮口制退器。

还具有“炮口校准参考系统”(MRS)类型的装置。这些装置，尤其是在文献US 4,665,795中描述的装置，通常由位于炮筒底座的激光收发器和放在炮筒的炮口的镜子组成。发射器朝着镜子发送红外激光，接下来使红外激光朝着接收器反射。基于接收器接收到的激光的位置，一件电子设备允许自动计算方位角和高度校准，接下来在射击控制系统将该方位角和高度校准添加到弹道校准。这些装置的一个缺点是，镜子的机械稳定性提供起来非常复杂。而且，经由激光测量检测炮筒的弧线会使系统能够被敌人检测到。接下来，虽然MRS类型的装置使得可能校准炮筒的弧线的变化，但是初始对准仍是必要的。

类似地，文献FR 2 505 477公开了一种炮膛瞄准装置，其在炮筒上包括：由镜子形成的偏转目标，在镜子上投射十字准线；壳体，其包括光学系统和图像传感器，该图像一方面是十字准线的反射图像，另一方面在存在过滤器时是远处物体的反射图像。从长远来看，这又是一个不稳定系统，其以低稳定性一直用到损坏，并且具有光学系统精度恶化的风险。

另外，也可引用其他不太广泛的装置。

文献EP 1,510,775描述了一种带有摄像头的装置，摄像头具有两个聚焦平面。在炮膛瞄准操作过程中将此摄像头插入炮筒的腔室。炮筒的炮口处的第一个聚焦使得可能估计其角偏差(X,Y)。第二个无限聚焦使得可能观察位于远距离处的物体，从而使光学系统的视野回到相同的参考系上。通过组合这两个操作来进行炮膛瞄准。

文献EP 1,616,145公开了一种由单个位于炮塔内的操作员操作的炮膛瞄准装置。将摄像头从炮筒的内部推向炮筒的炮口。由于此摄像头位于炮筒的炮口，所以毫无疑问要考虑炮筒的弧线。

这两个装置具有必须使摄像头定位在炮筒内的缺点。在文献EP 1,616,145的情况中，布置摄像头是一项耗时且乏味的操作，特别是如果其必须由单个位于炮塔中的操作员进行。而且，不可能保证推向炮口的摄像头的取向在每次炮膛瞄准操作时都将系统地相同。

发明内容

本发明旨在提供一种仅需要一个位于炮塔内的操作员的炮膛瞄准装置和方法。

本发明进一步旨在开发一种在炮筒内不需要光学系统的装置。因此其旨在开发一种稳定且精确的装置。

本发明还旨在开发一种快速的且同时也可重复的炮膛瞄准方法。

附图说明

参考例如图1至图3，根据以下描述，将更好地理解本发明。

图1示意性地示出了在具有轴、炮筒和瞄准光学装置，及炮膛瞄准装置的两个摄像头的光轴的情况下设置有根据本发明的炮膛瞄准装置的炮筒。

图2示意性地示出了根据本发明的壳体内的光学系统。

图3举例说明了几何图形在炮筒偏转后在偏转目标上的运动。

图例

(1)炮塔

(2)壳体

(3)偏转目标

(4)炮筒

(5)轴

(6)炮筒的炮口制退器(muzzle brake)

(7)设置有偏转摄像头的光学系统

(8)设置有炮膛瞄准摄像头的光学系统

(9)偏转目标上的几何图形

(10)炮塔的瞄准系统的光学装置

具体实施方式

本发明涉及一种配备炮塔的炮膛瞄准装置，炮塔设置有炮筒和一个或多个瞄准系统，每个瞄准系统具有光学系统，所述装置包括：

-偏转目标，其旨在位于炮筒外，在所述炮筒的炮口制退器处，

-壳体，其旨在位于炮筒外，在所述炮筒的轴处，所述壳体包括：

-第一光学系统，其设置有偏转摄像头，所述第一系统用来确定来自轴的射击线和来自炮口制退器的射击线之间的平行度误差，

-第二光学系统，其设置有炮膛瞄准摄像头，所述第二系统用来确定来自轴的射击线和来自瞄准系统的光学线之间的平行度误差。

根据本发明的具体实施例，该装置包括以下特征中的至少一个或适当的组合：

-每个摄像头具有固定焦距，炮膛瞄准摄像头具有无限焦距，并且偏转摄像头配置为在偏转目标上调节焦距；

-偏转目标包括用作第一光学系统的参考点的任何几何材料图形，所述几何图形优选地是圆形。

本发明还涉及一种包括如上所述的炮膛瞄准装置的武器系统，其中，壳体位于炮筒的轴上，所述偏转目标位于炮筒的炮口制退器的周边或其附近。而且，在此武器系统中，偏转目标可相对于炮口制退器附接或集成。

本发明还涉及一种设置有此武器系统的装甲车辆。

本发明还涉及一种使用上述装置的炮膛瞄准方法，所述方法包括以下步骤：

-计算几何图形相对于所述图形的参考位置的位移ΔX和ΔY，基于来自偏转摄像头的图像处理进行所述计算，接下来经由基于所计算的ΔX和ΔY的值的数学模型，确定来自轴的射击线和来自炮口制退器的射击线之间的平行度误差，

-将由炮膛瞄准摄像头得到的图像与由瞄准系统的光学系统得到的图像进行比较，以确定来自轴的射击线和来自瞄准系统的光学线之间的平行度误差，

-累积两个平行度误差，并相应地移动所述光学线。

根据本发明的具体实施例，该方法包括以下特征中的至少一个或适当的组合：

-使用基于按照坎尼方法(Canny method)的轮廓检测的算法，并使用霍夫变换(Hough transform)，来进行ΔX和ΔY的计算；

-在将炮膛瞄准装置安装在武器系统上之后的校准的过程中，计算几何图形的参考位置；

-使用炮口边框进行校准，所述校准包括用于使炮膛瞄准摄像头的十字准线的位置与通过炮口边框观察的点对准的步骤；

-在用于计算来自轴的射击线和来自炮口制退器的射击线之间的平行度误差的步骤之后，将炮膛瞄准摄像头的十字准线沿着X坐标和Y坐标移动相同角度；

-可在任务过程中实施该方法。

最后，本发明涉及一种计算机程序，其适合于实施上述方法，并通过记录可由包括此程序的计算机读取的数据来实施。

本发明的详细描述

本发明涉及一种炮膛瞄准装置和使用所述装置实施的方法。根据本发明的装置优选地旨在用于大口径武器系统(75mm到140mm)。然而其可用于小口径和/或中口径武器系统，但受制于某些与和所述口径相关联的索具中的立体位阻效应相关的发展。

根据本发明的炮膛瞄准装置如图1在炮塔1上所示。该装置由两部分组成，分别位于不同的位置。其一方面包括壳体2，另一方面包括偏转目标3。壳体2位于炮筒4之外，优选地安装在炮筒4的轴5上。可在图2中更详细地看到的壳体2，包括两个光学系统7、8，每个光学系统设置有摄像头。第一摄像头7，称为偏转摄像头，旨在校准从炮筒的偏转产生的错位，即，来自轴的射击线和来自炮筒的炮口的射击线之间的错位。第二摄像头8，叫做炮膛瞄准摄像头，旨在校准来自炮筒的轴的射击线和瞄准系统的光轴之间的错位。在壳体中，将两个摄像头安装在单个块中。炮膛瞄准摄像头和偏转摄像头所具有的特征是具有固定焦距，分别是无限焦距和聚焦在炮口制退器，如图1所示。对于每个摄像头以固定焦距安装在单个块中具有在壳体中不需要运动零件的优点，这使得可能确保其相对于与射击相关的冲击和振动的机械稳定性。而且，壳体设计成非热状态，使得摄像头的光轴的位置对温度变化不敏感。除了壳体以外，该装置包括偏转目标3，其位于炮口制退器6处，即，位于弹药离开的炮筒的端部处。此偏转目标3可以是放在炮口制退器的紧固处的附加零件，或者其可直接集成在其周边上。后一种替代方式有利于保证该装置的机械稳定性。偏转目标设置有任何用作光学系统7的参考点的几何图形。此图形在目标上是物理的，或者换句话说是有形的，这意味着该图形集成在目标上。因此其不是用作偏转目标的镜子上的投射图形。

根据本发明的炮膛瞄准方法考虑上述两个错位原因，即，在通过使用车辆及其武器系统而导致的冲击之后的炮筒的偏转，及射击线和瞄准线之间的偏离。

为此，该方法基于三个步骤。

在第一个步骤中，使用设置有偏转摄像头的光学系统确定来自轴的射击线和来自炮口制退器的射击线之间的平行度误差。更具体地，壳体的第一光学系统7经由图像处理检测偏转目标的位置，使得系统可竖直地和水平地推导炮筒相对于在装置的校准过程中获得的参考位置的偏转。相对于由几何图形体现的参考系，计算沿着X和Y的运动，即，增量X(ΔX)和增量Y(ΔY)，该几何图形优选地是偏转目标3(见图3)上的圆形9。可能考虑其他几何图形，其之前对所使用算法进行了若干具体修改。因此，相对于圆心的起始位置计算ΔX和ΔY。通过数学模型，系统从其产生来自轴的射击线和炮口制退器处的射击线之间的平行度误差。用来检测几何图形的算法以根据坎尼法的轮廓检测为基础。霍夫变换使得可能获得参考圆的位置的第一估计。接下来，算法使得可能改善以亚像素级获得的结果。

在第二个步骤中，使用设置有炮膛瞄准摄像头的光学系统确定轴处的射击线和瞄准线之间的平行度误差。其轴线与轴处的射击线平行且使用无限焦距的摄像头提供远处物体的图像，将该图像与由炮塔(图1)的瞄准系统的光学系统10提供的图像直接比较。因此，可能推导轴处的射击线和瞄准系统的光学线之间的平行度误差。

在第三个步骤中，累积两个平行度误差并将其直接发送到炮塔的瞄准系统。

在这些步骤之前，必须校准该装置。当将壳体和目标安装在炮塔上时进行此校准。然后，只要不移动壳体和偏转目标，就不需要新的校准。从传统的炮口边框进行校准。此校准包括使炮膛瞄准摄像头中的十字准线的位置与通过炮口边框观察的点对准。由炮塔的一个使用者经由其控制监控器进行此操作。当实现此对准时，由该装置计算并储存几何图形的参考位置。在随后的炮膛瞄准操作的过程中，在第一个步骤中，装置测量几何图形相对于在校准过程中获得的位移的位移。接下来，通过将其十字准线的位置移动到那里而在炮膛瞄准摄像头中反映此差异。

本发明的优点

在存在根据本发明的装置的情况下，炮膛瞄准的精度与现有技术装置所遇到的精度相当，但是没有缺点。

因此，由单个位于炮塔内的操作员进行炮膛瞄准，不需要部署任何工具。因此，没有沉重的且由此缓慢的操作。没有这种操作也保证了测量的更好的可重复性。而且，这允许在任务期间进行炮膛瞄准。

根据本发明，偏转目标及其几何图形是物理的。偏转目标不是镜子(十字准线投射在该镜子上)。因此，根据本发明的装置不需要造成去同步风险且要求系统校准的多层镜子。

Claims (14)

1.一种炮膛瞄准装置，用于装备炮塔(1)，所述炮塔设置有炮筒(4)和一个或多个瞄准系统，每个所述瞄准系统具有光学系统(10)，所述炮膛瞄准装置包括：

-偏转目标(3)，位于所述炮筒(4)外，在所述炮筒(4)的炮口制退器(6)处，

-壳体(2)，位于所述炮筒(4)外，在所述炮筒(4)的轴(5)处，所述壳体(2)包括：

-第一光学系统(7)，设置有偏转摄像头，所述第一光学系统(7)用于确定来自所述轴(5)的射击线和来自所述炮口制退器(6)的射击线之间的平行度误差，

-第二光学系统(8)，设置有炮膛瞄准摄像头，所述第二光学系统(8)用于确定来自所述轴(5)的射击线和来自所述瞄准系统的光学线之间的平行度误差，其特征在于，所述偏转目标(3)集成有用作所述第一光学系统(7)的参考点的几何图形(9)。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，每个摄像头具有固定焦距，所述炮膛瞄准摄像头具有无限焦距，并且所述偏转摄像头配置为具有在所述偏转目标(3)上调节的焦距。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述几何图形(9)是圆形。

4.一种武器系统，包括根据权利要求1至3中任一项所述的炮膛瞄准装置，其中，所述壳体(2)位于所述炮筒(4)的所述轴(5)上，并且所述偏转目标(3)位于所述炮筒(4)的所述炮口制退器(6)的周边处或位于所述炮口制退器的周边附近。

5.根据权利要求4所述的武器系统，其中，所述偏转目标(3)附接至所述炮口制退器(6)，或所述偏转目标与所述炮口制退器整体形成。

6.一种装甲车辆，设置有根据权利要求4或5所述的武器系统。

7.一种使用根据权利要求1至3中任一项所述的炮膛瞄准装置的炮膛瞄准方法，所述方法包括以下步骤：

-计算所述几何图形(9)相对于所述几何图形(9)的参考位置的位移ΔX和ΔY，基于来自所述偏转摄像头的图像处理进行所述计算，接下来经由基于所计算的ΔX和ΔY的值的数学模型，确定来自所述轴(5)的射击线和来自所述炮口制退器(6)的射击线之间的平行度误差，

-将由所述炮膛瞄准摄像头得到的图像与由所述瞄准系统的光学系统(10)得到的图像进行比较，以确定来自所述轴(5)的射击线和来自所述瞄准系统的光学线之间的平行度误差，

-累积两个平行度误差，并相应地移动所述光学线。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用基于按照坎尼方法的轮廓检测的算法并使用霍夫变换，来进行ΔX和ΔY的计算。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在将所述炮膛瞄准装置安装在武器系统上之后的校准的过程中，计算所述几何图形(9)的参考位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用炮口边框进行校准，所述校准包括用于使所述炮膛瞄准摄像头的十字准线的位置与通过所述炮口边框观察的点对准的步骤。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中，在用于计算来自所述轴的射击线和来自所述炮口制退器的射击线之间的平行度误差的步骤之后，将所述炮膛瞄准摄像头的十字准线沿着X坐标和Y坐标移动相同角度。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，能够在任务期间实施所述方法。

13.一种计算机程序，适于实施根据权利要求7至12中任一项所述的方法的。

14.一种用于记录能由包括根据权利要求13所述的程序的计算机读取的数据的装置。