高精度弹道靶道空间基准系统及其校准方法研究

发布时间：2020-03-27 18:48

【摘要】：在弹道靶道测试中,空间基准系统及校准方法产生的误差对弹丸自由飞行参量测试精度影响较大,论文据此开展高精度弹道靶道空间基准系统优化设计和基于空间基准系统的阴影照相站校准方法研究。分析了靶道空间基准系统工作原理及校准过程,通过系统全面的分析了利用空间基准系统校准阴影照相站时的误差来源及其引入的测量不确定度的量值及其传递关系,确定了空间基准系统的三个关键控制参数:网格间距、相对网格面中心距离和X方向站与站之间距离,并针对现有空间基准系统存在的问题提出了改进的方向。研究了基于高精度空间基准系统的阴影相机校准方法和照相站性能验证方法。提出了一种基于半透半反射镜的单激光的PSD定位方法,采用激光平行管发出的光束作为空间基准光轴,依据光学标靶上反射光斑与入射光斑的重合度来调节基准载体中心轴线与炮口火线平行度,以PSD反馈的光斑坐标为依据调节基准载体中心轴线与炮口火线重合。以调整到位的基准载体为依据,调节靶道两侧阴影相机的空间位置,使得相机的主光轴与基准载体相对网格面的“田字型”网格中心点重合,达到三点一线,从而实现两侧阴影相机光轴相互正交并垂直各自的反射屏,完成对阴影相机的校准。采用激光干涉仪测量模拟弹丸姿态变化的标准角度,并将标准角度与阴影照相法得到的角度对比,从而对照相站性能进行验证。对高精度弹道靶道空间基准进行设计。高精度弹道靶道空间基准由高精度双重田字网格基准载体及其高精度位置调节机构和空间基准轴线对中系统组成。采用了一体化设计方法设计了高精度双重田字网格基准载体,提高了基准载体的精密性;分析了多种六维调节机构的性能,确定选择六自由度并联机器人作为基准载体的高精度位置调节机构;分析了基准光源的要求,选择激光平行管作为基准光源并选择三脚架和云台组合的方式实现基准光源的位置调节;设计了光学窗口及其安装调节装置;研究了光束整形的方法,设计了基于镜头成像的光束整形装置,有效减小了光斑直径,抑制了光斑在PSD上的波动,改善了光斑质量,提高了 PSD对光斑位置的测量精度。设计了照相站性能验证实验装置,采用高精度标准物质作为模拟弹丸,利用摆动平台和旋转平台组合实现模拟弹丸俯仰和偏航角度的调节。系统的联调联试及性能测试与分析。利用三坐标测量机测量验证了双重田字网格加工精度;通过激光干涉仪对六自由度并联机器人角度进行了监测,其位置调节的精度达到1′;采用打表法对光学窗口与基准载体侧面平行度进行调试,验证了光学窗口及其安装调节装置的可行性;对光束整形及光斑位置检测装置进行调试实验,验证了该模块的测量精度优于2μm;利用激光干涉仪对照相站性能验证装置进行调试实验,验证该模块可调节范围达到10'。在此基础上,搭建空间基准系统进行系统调试实验,验证了系统的可行性和可靠性。分析了基准载体网格间距、两相对网格面中心距离和炮口方向各站之间距离的不确定度影响因素,得到网格间距标准不确定度为0.0296mm、两相对网格面中心距离标准不确定度为0.0675mm和炮口方向各站之间距离标准不确定度为0.47mm+1ppm,达到了设计要求。
【图文】：

传统的火花闪光阴影照相系统进行改进，形成了数字式靶道阴影照相系统。数字式靶道逡逑阴影照相系统包括一台多次闪光脉冲激光光源、２台高分辨率ＣＣＤ摄像机成像组件、一逡逑对反射屏、一个触发启动靶、一台相机控制器和相关机械支架组成［１３１如图１．３所示。逡逑当弹丸出膛口，阴影照相站收到炮口启动产生的差分信号，阴影照相站开始工作。相机逡逑控制器中相关参数和延时预先设置完成，当弹丸穿过红外触发启动装置时，红外触发启逡逑动装置给相机控制器发出启动信号，相机控制器发送触发信号到ＣＣＤ相机和窄带脉冲逡逑激光器。相机和激光器按照预先设定的时序完成闪光和拍照。其中激光器发出的脉冲激逡逑光通过分光光纤分光后，将两束激光分别导入两个相机的发散镜，透过半反半透镜后进逡逑入相机视场照射弹丸，经过反射屏反射形成的阴影图像，最后在高分辨率ＣＣＤ相机成逡逑像中。拍照结束后，经过网线将图像数据传输到主控计算机中进行自动保存１１４］。逡逑数字式靶道阴影照相系统的主要性能指标如下ｔ１５］：逡逑１）

相机ｉ逦相机２逡逑图１．２火花闪光阴影照相站结构示意图逡逑由于电火花胶片式照相系统在测试过程中存在弹丸速度过高时图像产生拖影及模逡逑糊边缘、无法保证两光源闪光的同时性、电火花引起的强电磁场干扰和胶片冲洗过程繁逡逑琐等问题，火花闪光阴影照相系统己经无法满足现代弹道测试提出的高精度、短周期和逡逑自动化的要求。随着激光技术和ＣＣＤ成像技术的高速发展，南京理工大学瞬态物理国逡逑家重点实验室将高分辨率ＣＣＤ相机和多次闪光窄带脉冲激光光源引入靶道测试中，对逡逑传统的火花闪光阴影照相系统进行改进，形成了数字式靶道阴影照相系统。数字式靶道逡逑阴影照相系统包括一台多次闪光脉冲激光光源、２台高分辨率ＣＣＤ摄像机成像组件、一逡逑对反射屏、一个触发启动靶、一台相机控制器和相关机械支架组成［１３１如图１．３所示。逡逑当弹丸出膛口，阴影照相站收到炮口启动产生的差分信号，阴影照相站开始工作。相机逡逑控制器中相关参数和延时预先设置完成，当弹丸穿过红外触发启动装置时，红外触发启逡逑动装置给相机控制器发出启动信号，相机控制器发送触发信号到ＣＣＤ相机和窄带脉冲逡逑激光器。相机和激光器按照预先设定的时序完成闪光和拍照。其中激光器发出的脉冲激逡逑光通过分光光纤分光后
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ410.6

【参考文献】

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本文编号：2603246