0 引言
“标枪”导弹武器系统由两个主要部分组成:地面发射装置和图像制导导弹。地面发射装置主体采用金属材料设计,集成操控手柄完成操作;光学部件采用双视场制冷型红外热成像,光学放大倍数为4倍和9倍两级,制冷时间约2.5 min;发射装置同时也安装了4倍的可见光直瞄仪器;武器系统电源由地面BA5590型电池提供,低温下连续工作时间小于等于1 h,整机重量约6.4 kg。
单兵发射装置由于受加工材料及红外探测器性能的影响,在重量、发射准备时间、待机时间参数方面稍显不足。重量过大则会影响士兵的行战转换动作;发射时间过长会导致士兵暴露的时间也长,不利于人身安全;电池工作时间过短,发射导弹数量也受限,不利于寒区远距离长时间执行任务。
针对武器系统的发展需求,设计了基于非制冷型的便携式观瞄发射装置,产品集成了非制冷型红外热成像和黑白电视光学组件,满足昼夜及不良气象条件下目标搜索;操控电子平台采用DSP和FPGA控制电路,启动速度快、功耗更低,缩减行战转换时间;内部采用低温型锂离子二次军用电池,结合低功耗设计,延长了工作时间;产品外形布局进行了人机环设计,适合卧姿、立姿、跪姿战术动作使用,便于行军携带使用。
1 技术方案
1.1 系统功能和组成
便携式观瞄发射装置与筒装导弹对接后,肩扛发射导弹,具备昼夜观察能力,光学仪器的亮度、对比度、焦距、图像极性、视场等参数需可调;系统的电源需用二次电池供电,电池可更换;同时管理导弹电源,控制弹上跟踪器的跟踪波门大小/位置、光轴位置移动、诸元装订、自动辅助识别等参数,锁定目标后,满足发射条件,按下“击发”键发射导弹。
根据上述的功能特点,便携式观瞄发射装置由以下部分组成:壳体、红外热成像、电视成像、操控电路、二次电池、手柄按键等主要部件,如图1所示。
1.2 小型化方案
红外热成像是便携式观瞄发射装置的关键件之一,其性能参数影响了装置的小型化设计,同时也会影响重量和启动时间等参数。红外热成像的核心器件[4]——红外焦平面探测器,有制冷型和非制冷型红探测器之分,制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高,分辨率更高,探测距离远;非制冷型红外焦平面探测器无需制冷装置,具有体积小、质量轻、功耗小、成本低、启动快优点。
“标枪”发射装置采用制冷型探测器,因此装置需要制冷,导致在夜间作战时发射前准备时间比较长,这种情况容易暴露射手位置;其二,制冷型探测器需冷却系统,冷却系统将增加整体重量和体积,体积重量过大则不利于士兵远距离携带,另外制冷系统需的功耗较大,缩短了电池的工作时间。鉴于作用距离、重量、启动时间及设计成本等综合因素考虑,便携观瞄发射装置采用非制冷型探测器。
另外,便携式观瞄发射装置需要密封设计,用于保护光学仪器,通过把各组件或零件集成固定主壳体里,而电池舱与主壳体则采取隔离设计,这不但利于缩小空间体积,而且更换电池时又不破坏整机的密封性。
最后,在材料上轻量化设计,前期有的军用装备采用密度为1.8 g/cm3镁铝合金作为壳体材料,但镁铝材料的表面漆若遭到破坏之后,壳体的金属壁则容易被大气腐蚀,最终报废;若使用铸铝,其与空气氧化后产生的致密氧化物可以阻止腐蚀的扩展,但是其密度为2.7 g/cm3,重量过大;而碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,是一种力学性能优异的新材料,其密度为1.5~2.0 g/cm3。应用碳纤维材料与金属预埋件相结合,利用复合材料重量轻强度高的优点,起到轻量化设计;又能起到防雾、防霉、防湿热的作用,此外还可压模成型加工,适合于批量生产。
1.3 部件设计
1.3.1 红外热成像
非制冷型探测器按分辨率目前有640像素×512像素和1 024像素×768像素之分;为了与显示设备分辨率匹配,红外热成像的探测器选用640像素×512像素,像元尺寸17 μm,靶面尺寸为10.88 mm(H)×8.70 mm(W)的探测器,工作波段8~14 μm。
红外光学系统的焦距估算,依据Johnson准则[6],识别出目标类别需要(4.0±0.8)线对,综合考虑,按坦克目标的最短边2.3 m对应3.8线对进行焦距计算,其公式为:
f =na / (h/L),
式中:n为探测识别所需像素为7.6;a为像素尺寸;h为目标最小尺寸,坦克正面2.3 m;L为目标距离2.7 km,计算的小视场焦距f≈150 mm,大场焦距取75 mm(大小视场比为2∶1),利用公式:
tan(w/2)=H/(2f)
式中:H为靶面尺寸;w为视场角度。经过式(2)计算,光学系统小视场在焦距为150 mm时的视场值分别为4.15°×3.32°,大视场在焦距为75 mm时的为8.30°×6.64°,红外光学系统结构图如图2 。
MRTD估算,公式如下:
MRTD= $\frac{3\left(NETD\right)\sqrt{\alpha \beta }}{\sqrt{△{f}_{R}}\sqrt{{\tau }_{d}}\sqrt{{T}_{e}\stackrel{-}{F}}}$ · $\frac{{f}_{T}}{\stackrel{~}{r}{ }_{s}}$
式中:NETD为探测器的NETD值(K);α,β为红外热成像的瞬时视场(mrad);fT为目标的空间频率;△fR为电子系统噪声等效带宽;τd为目标图像在探测器上停留时间;Te为人眼积分时间;F为帧频25 Hz; ${\stackrel{~}{r}}_{s}$ 为在fT空间频率下的传递函数。
经计算MRTD=0.55 K(3.5cyc/mrad ),满足要求。
目标尺寸为3.3 m×2.3 m,在长焦150 mm、目标距离为2.7 km时,目标在探测器上的成像尺寸为:0.183 3 mm×0.127 8 mm。
已知像元间距17 μm,则目标所占的像元数为:x=10.8,y=7.4,即光学系统处于长焦状态时,目标在探测器上所占像元数为10.8×7.4。
采用LOWTRAN6大气模型估算目标辐射能量经2.7 km的大气路径后,其透过率为0.35。经大气衰减后达到热像仪的目标与背景温差计算如下:△T=4 K×0.35=1.4 K≥MRTD(0.55 K),大于红外热成像所能识别的最小温差值,故可识别距离≥2.7 km的目标,如图3所示。
红外热像系统利用高精度步进电机驱动丝杠,移动变焦光学组件的轴向位置实现调焦,达到视场切换功能;由于红外光学镜片和镜框结构材料的热膨胀系数不一致,会导致光学元件的变形,而且光学材料的折射率也会随温度变化,这些因素会导致光学成像质量的下降甚至不能正常工作。因此,在设计时要考虑红外系统在全温度范围内工作,须进行光机热一体化[5]设计。
1.3.2 电视成像
电视在较好的天气条件下使用,CCD像素分辨率为800像素×600像素,像面尺寸4.24 mm×3.18 mm,像元尺寸5.3 μm。
根据Johnson评判准则,目标最小尺寸方向上的成像大小,应识别出目标属于哪一类别需(4.0±0.8)线对,兼顾加工工艺和空间尺寸,识别目标线对数取4.3。
由f=na/(h/L),n为探测识别所需像素为8.6,a为像元尺寸,h为目标最小尺寸,坦克正面2.3 m,L为目标距离4 km,计算的f≈80 mm。
水平视场角则由公式
tan(w/2)=4.24/(2f)
计算得Wx=3.04°,同理计算俯仰方向参数。即电视视场为3.04°×2.27°,满足要求。
根据瑞利判据,光学系统在像面上恰好能分辨的径向距离为极限分辨距离R, 即像元尺寸大小p=5.3 μm,光学系统F数,波长为λ,由R=1.22 Fλ,取可见光典型值λ为0.55 μm,则F=p/(1.22λ)=7.9。当F小于7.9时,系统的极限分辨距离小于像元尺寸。
由焦距和F数确定光学系统的有效通光口径:D=f/F,其中:f为光学系统的焦距;F为光学系统的F数;D为光学系统的有效通光口径;则D=f/F=80/7.9≈10.2 mm。
成像系统用定焦方式设计可简化结构;文中光学系统用6片透射式成像,对于焦距为80 mm的光学系统,成像清晰,如图4上图3.5 km的房子,可以清晰看见窗户。
1.3.3 显示终端
1.3.4 操控电路
1.3.5 电池
“标枪”采用BA5590型电池,BA5590维护不当容易产生二氧化硫有毒气体。文中系统采用锂离子二次电池供电,电池芯采用18650尺寸低温型高功率比单体。由于在野外使用,电池需符合国军标锂离子安全性[10]要求,防止电池过充、过放导致爆炸或燃烧,确保使用过程中的人身安全。
1.3.6 外形人机环设计[11]
便携式观瞄发射装置与导弹对接后,系统总重量达到23 kg左右;长时间握持容易造成手上肌肉酸痛,时间越长手的抖动越厉害,这样不利于目标瞄准锁定,况且3.5 km处坦克目标成像更加小,锁定更加困难。
射手习惯用右肩膀支撑重物,右眼观察目镜。整个系统的重心位置在肩膀位置,此时握持手柄双手只需要较小的力即可,左右手指释放压力后能够灵活的操作按键。
1.4 软件流程
1.4.1 人机界面
首先,单兵设备应最大限度缩小发射准备时间,因此界面和流程应操作简洁,精简代码,减少加载时间;其二,图形界面采用FPGA点阵方式显示,硬件资源也受限制,界面的复杂程度也将受限,因此,菜单界面需简洁,考虑以下原则:
1)关重信息,用直观图文符号表达;
2)信息按类型进行划区显示;
3)简化信息,消隐辅助信息(或工程模式的信息);
4)图文信息颜色不超过3色,正常用绿色,故障用红色,提示用橘黄色。
多余信息会干扰射手注意力,在子界面中不需要的信息需进行消隐处理。
便携式观瞄发射装置用于地面观察目标,所成的图像往往是一半是天空一半是地面,目标主要集中出现在横向1/3中间区域,此区域适合只显示导引头跟踪波门信息,如图7所示,图中分为几个区,其中虚线部分在通常情况处于消隐状态,当导弹上电之后显示与导弹相关的信息。如导引头区、诸元参数区,按下按键是会出现菜单功能区,界面标题、电量、导弹在位、姿态角尺码是进行常显示。
1.4.2 发射流程
2 试验过程
按照设计方法完成实物样机加工,产品的外形整体多采用切面风格,外形美观,具有重量轻、强度高的特点;手柄增加橡胶材料防滑的作用,如图6的下图所示,与武器系统对接。装置通过各项静态测试,通过GJB150的温度、盐雾、冲击振动、霉菌湿热等试验。
在能见度大于等于5 000 m、相对湿度小于等于80%,对3.3 m×2.3 m目标,红外热成像识别距离大于等于2.7 km,电视识别距离大于等于4 km,表1为标枪与本装置的部分指标参数对比表。
表1 参数对比表 |
| 参数 | 参数值 | |
|---|---|---|
| 标枪CLU | 本装置 | |
| 重量/kg | 6.2 | 4.82 |
| 红外大场/(°) | 6×4 | 8.30×6.64 |
| 红外小场/(°) | 3×2 | 4.15×3.32 |
| 可见光/(°) | 6×4 | 3.02×2.27 |
| 常温待机/h | 大于等于4 | 大于等于7 |
| 启动时间/s | 150(制冷时间) | 6(图像清晰) |
从表1中可看出,便携式观瞄发射装置在重量上更加小型化,发射准备时间更短,系统待机时间更长的优势,更符合便携式武器系统的使用要求。
3 结束语
随着便携式反坦克武器系统性能升级,以及探测器核心器件、工业新材料的涌现,CLU的功能也在不断提升,小型化、智能化、信息互联化是未来的方向发展,如增加目标自动提示;增加信息数据终端,形成战场网络[14],在显示屏上自动显示并标记战场态势;光学通道的改进,如增加自动聚焦、图像增强与放大、自动稳定等功能。经过改进方案之后,可获得更大范围的目标活动情况,及敌我双方的战场态势,对于射手选择预打击目标更为有利,大大提高了作战效率。