瞄准望远系统资料课件

第四章第四章 瞄准望远系统瞄准望远系统按按功能功能将仪器分成以下几个组成部分：将仪器分成以下几个组成部分：1 基准部件 2 传感器与感受转换部件 3 放大部件 4 瞄准部件 5 信息处理与运算装置 6 显示部件 7 驱动控制器部件 8 机械结构部件 4.1 概概 述述 望远系统以观察远方目标为目的，具有视角放望远系统以观察远方目标为目的，具有视角放大率的光学系统大率的光学系统v按照望远系统的用途可分为三类：v1.观察用望远系统观察用望远系统 2瞄准望远系统瞄准望远系统 瞄准望远系统以发现目标、确定目标方向为主要任务，不要求分辨目标细节，但要求有较高的瞄准精度。要使望远系统能精确地瞄准目标确定目标方向，需要有高的放大倍率和一个瞄准轴，即在瞄准的目标与望远镜之间建立一条基准轴线，以起到瞄准、定向作用。即普通望远系统，主要以观察目标为主要任务，完成良好的舒适的观察，不需要测量基准。4.1 概概 述述 为了建立基准轴线，在瞄准望远系统中除了物镜和目镜之外，需要在物镜的焦平面上放置一个带标志线的分划板，分划板中心与物镜光心的连线构成一条瞄准轴（或称视准轴），瞄准轴在测量中作为基准线。瞄准轴与物方测量标记重合的程度为瞄准精度，这里瞄准精度即指定向精度。它是衡量瞄准望远系统的主要指标之一。v3测量望远系统测量望远系统 测量望远系统要求分辨目标的细节，进行精确瞄准和测量，保证较高的测量精度是其主要任务。因此需要有带分划刻度的分划板和测量基准轴，基准轴建立方法同上。4.2 军用瞄准系统基本参数的选择军用瞄准系统基本参数的选择4.2.1 4.2.1 望远系统的性能参数望远系统的性能参数 望远系统的主要性能参数包括：望远系统的视角放大倍率、物方视场角2、物镜焦距、入射光瞳直径D、出瞳距、分辨率及系统筒长L等。4.2.2 军用瞄准望远系统的基本参数选择军用瞄准望远系统的基本参数选择 基本参数基本参数：视放大率 入射光瞳直径D 物镜焦距 出瞳距 视场角2 分辨率 (潜望高度H)1.视放大率视放大率的选择的选择 一般常规武器的火控系统的精度多数为密位级精度。将一个圆周分成6000等份，每一等份对应的角度称为一密位，记作0-01，为3.6。人眼对准精度的大小跟对准方式有关，见表1 4.2.2 军用瞄准系统对瞄准精度要求较高，而瞄准系统的瞄准精度与人眼瞄准精度相匹配。总体设计时，望远系统的瞄准精度往往是给定的。通常放大率可以表示为：人眼对准精度；-瞄准望远系统的对准精度。表表1 典型对准方式对应的对准精度典型对准方式对应的对准精度对准方式示 意 图眼睛对准精度应 用两实线重合60普通瞄准镜两实线端部对准1020读数系统双线对称夹单线510大地测量仪工具显微镜叉线对准单线10大地测量仪高精度瞄准镜2.物镜入瞳直径物镜入瞳直径D选择选择（1 1）从保）从保证分辨率考分辨率考虑 根据衍射理论，望远镜的分辨率为：k为修正系数，通常取值在1.052.2之间（根据仪器制造误差选定）白天正常照明下，眼睛的分辨率一般取 设计时，通过望远系统瞄准物体时，必须使通过仪器的分辨率不小于人眼的分辨率。若人眼的视角分辨率为60，则仪器视角分辨率为：人眼与望远系统匹配，则：（2 2）从保证能量考虑）从保证能量考虑4.2.2 光学长度通常是给定的，大于或小于筒长时，应注意物镜的型式选择及光路转折等。（4）出瞳距）出瞳距的的选择 20mm 按实际要求，通常有（3）物镜焦距的选择）物镜焦距的选择依据公式依据公式即即4.2.24.2.2（5）视场的选择）视场的选择（6 6）潜望高度）潜望高度H HH180mm 对于军用瞄准系统，物镜通常用双胶合透镜即可；目镜要求有较长的焦距，所以结构比较复杂。不过目镜以标准化、系列化，可根据参数直接选用。参考表4.2 视场的大小决定观察范围的大小。=常数。视场大，倍率就小。选定倍率和目镜型式后，依据 确定。军用瞄准系统的物方视场一般10就能满足要求。军用望远目镜的安装军用望远目镜的安装4.2.2军军用用望望远远镜镜物物镜镜的的安安装装4.2.24.3 测量瞄准望远镜基本参数的选择测量瞄准望远镜基本参数的选择 测量瞄准望远镜必须先瞄准目标，然后进行准确测量，所以系统瞄准精度是仪器精度很重要的一项指标。影响瞄准误差的因素是多方面的，主要表现在以下几个方面：1 1人眼对准精度的影响人眼对准精度的影响 人眼的对准精度指的是判断垂直于视轴方向的两标记重合或置中的能力。即两线宽的几何中心线（明视距离）对人眼的最小张角 人眼的对准能力比分辨能力要高。人眼的分辨率是指眼睛能够分开垂直视轴方向上两个靠近物点的能力，而对准精度是指横向对准的能力。对准精度约为分辨率的1/61/10。人眼对准精度越高，望远镜的瞄准精度越高 2望远镜的光学性能及参数的影响望远镜的光学性能及参数的影响 放大率、分辨率、像质、十字线的粗细及双丝间隔的大小等 3 3目标的影响目标的影响 目标的形状、亮度、衬度等 4 4外界条件的影响外界条件的影响 大气湍流、大气尘埃、烟雾、湿度的高低、周围环境的干扰程度等 设计测量瞄准望远系统时，要考虑的主要参数有：视放大率放大率、入射光瞳直径、入射光瞳直径D D、视场角角22、筒长筒长L L、最短视距。、最短视距。4.34.3.1 4.3.1 视放大率视放大率的选择的选择由 计算实际计算时考虑影响因素，用公式：为误差增大系数，根据实际情况选择：（1）室内：（2）野外、条件好：(3)小晃动：（4）衬度差或晃动大：（5）衬度很差或剧烈晃动：4.34.3.1 4.3.1 视放大率视放大率的选择的选择v例如例如4-24-2：DJ2级经纬仪，按精度分配给出望远镜对准 中误差 4.3该误差服从均匀分布，其极限误差为 人眼对双丝夹单丝的对准极限误差 假定观测条件中等，取 则：4.3.2 入射光瞳直径入射光瞳直径D的选择的选择 在选择系统入瞳直径D时要考虑人眼瞳孔De之大小。1 1人眼的分辨本领人眼的分辨本领 人眼分辨本领只和眼睛瞳孔的直径De有关：人眼瞳孔直径De(mm)0.60.70.80.91234567人眼分辨本领 (mm）2.52.32.22.12.01.81.71.71.71.71.7250mm处对应的线量(mm)0.180.170.160.150.150.130.130.120.120.120.12表表4.3 4.3 人眼的分辨本领人眼的分辨本领 一般在大地测量望远系统中，出瞳直径在1.52mm之间。4.34.3.2 入射光瞳直径入射光瞳直径D的选择的选择v 2从望远镜的衍射分辨率考虑从望远镜的衍射分辨率考虑 根据匹配原则 将代入上式得则 高放大倍数时，对高精度测角仪器，在光强度足够的情况下，出瞳直径小些对精密测量是有利的。同时，当系统存在视差时，出瞳小引起的视差也小，有利于提高瞄准精度。4.34.3.3 物方视埸角物方视埸角2的选择的选择 物方视场角2的大小首先决定于观测范围。4.3.4 望远镜的机械筒长的选择望远镜的机械筒长的选择 望远镜的机械筒长是由仪器的总体布局决定；望远镜的 大，对精度有利 而 所以 增大将使L增大，而机械筒长受限制，为此可采用远距物镜 ，既可保证机械筒长的要求，同时使物镜具有较长的焦距。4.34.3.5 4.3.5 其它参数的选择其它参数的选择 与瞄准望远系统参数选择方法类似，还要根据实际要求。测量望远镜目镜比军用瞄准系统目镜简单，视场小，但需考虑目镜前放置测微器与目镜距离的大小。测量望远系统的目镜型式可参考表4-2。测量望远镜物镜多数采用双胶合透镜,常用物镜如图。4.3投影物镜的安装投影物镜的安装4.34.4 4.4 内调焦望远系统内调焦望远系统望远系统有三种调焦方法：1移动分划面（比如移动整个目镜组）调焦2移动物镜调焦 不改变物镜参数，利用物镜和目镜之间轴向位置的相对变化实现调焦的系统称为外调焦系统。3移动组合式物镜中的负透镜，从而改变物镜焦距利用望远物镜中调焦透镜的轴向移动实现调焦的系统，称为内调焦系统。4.4.1 内调焦望远镜调焦原理内调焦望远镜调焦原理 内调焦望远物镜由两个光组组成：前组为固定不动的光组，称为物镜前组，后组为沿轴移动以实现调焦的光组，称为调焦镜。结构如图 为了保证象质，调焦镜移动范围(调焦量）不宜过大。望远物镜光焦度与其物镜前组光焦度1和调焦镜光焦度2的关系为 4.4.2 4.4.2 内调焦望远系统的基本公式内调焦望远系统的基本公式调焦原理图则：上式表明，当 时，负的调焦镜可使望远镜的光学筒长小于组合焦距，即 ，合成主面在外面，由图4-4可看出。若采用正的调焦镜，则 ，使望远系统的筒长增加，引起仪器总的体积增加，因此，目前很少采用正的调焦透镜。4.4.2 内调焦望远系统的基本公式内调焦望远系统的基本公式由图有：又：得：当 时，计算时，还做下列简化：则 对有限目标测量时 值可参考表4.4简单内调焦透镜示意图简单内调焦透镜示意图相机调焦镜结构相机调焦镜结构相机调焦镜结构相机调焦镜结构(1)(2)(3)(4)4.4.34.4.3内内调焦望焦望远系系统参数的参数的计算算例例4-34-3：以D J2级光学经纬仪之内调焦望远镜为例。1 1按瞄准精度求得放大倍数按瞄准精度求得放大倍数 根据DJ2级光学经纬仪的测角精度要求，规定望远系统的对准中标准误差该误差服从均匀分布，其对准极限误差为双线夹单线的对准 假定观察条件是中等状态，取 按光学经纬仪标准取则 4.4.3内调焦望远系统参数的计算内调焦望远系统参数的计算v2 2入射光瞳直径入射光瞳直径D D 按取得人眼最佳分辨能力，并考虑人限瞳孔与系统出瞳相匹配，取则按经纬仪系列标准取D=40mm。3 3参数参数L L、的的选择 望远镜的机械筒长 根据目镜结构的形式，取光学筒长L=150mm。从结构设计考虑，使望远镜重心与望远镜旋转中心重合，取仪器中心（亦即望远镜之旋转中心)至固定物镜之间距离 4 4组合焦距合焦距（目目标在无在无穷远处）内调焦望远镜的缩短系数 Q小，L就小但是Q越小设计越困难，结构也越复杂 一般在0.60.8之间，取，则、4.4.34.4.35 5、各参数的确定各参数的确定、一般光学经纬仪的内调焦望远镜要求在标尺的配合下进行测量距离为保证一定的精度，必须满足下面方程即 根据前面公式有 解得：6 6调焦焦镜的移的移动量量 根据使用要求，望远镜的最短视距为2m，即目标离仪器中心为2m，因按高斯公式求得则 为1920mm，调焦镜的移动量为其中 则调焦镜之移动量 4.4.34.4.4 4.4.4 调焦镜移动引起的瞄准轴的误差调焦镜移动引起的瞄准轴的误差 由于装配和制造等误差使调焦镜轴向移动时产生径向偏差，引起瞄准轴偏离。外调焦望远镜图45 4.4.44.4.4对于内调焦望远镜，图46 图4-6 内调焦产生的误差则 4.4.44.4.4对于内调焦望远镜，图46 调焦于无限远时 当内调焦和外调焦望远物镜焦距相等，且调焦引起误差 也相等，则有 上式表明，适当选择 ，使 l，这时内调焦望远镜的调焦误差比外调焦的调焦误差要小。4.4.44.4.4减小晃动调焦误差的方法减小晃动调焦误差的方法 设计方面，设计成弹性结构的形式，其目的就在于减少调焦镜移动时径向晃动误差；使用方面，有关测量“规范”中，规定三角测量和精密导线测量时，在同一测回内不允许重新调焦。内调焦系统的优点：内调焦系统的优点：1）内调焦系统易做到密封性好，可防止尘埃及潮气进入镜筒。2）内调焦望远镜比外调焦短，结构紧凑。3）内调焦系统在参数选择合适时，调焦时引起的瞄准轴偏差要比外调焦小。4）从结构上看，内调焦系统在调焦时，筒长保持恒定，易做到平衡。5）内调焦系统调焦时，组合焦距之值发生变化，因此对焦距值有严格要求的测量系统中不能应用(如自准直平行光管，光学测距机)。4.5 周视望远系统周视望远系统4.5.1 周视光学原理周视光学原理4.5.2 周视系统的像倾斜及其补偿方法周视系统的像倾斜及其补偿方法 直角棱镜以角速度绕x轴旋转时，像也将以角速度旋转 道威棱镜绕x轴转动角，像绕轴转2角.为补偿直角棱镜周视(或扫描)过程中产生的像倾斜，道威棱镜旋转的角速度只要等于直角棱镜转动角速度一半即可，即 4.5.3 4.5.3 符合等作用原理的周视系统符合等作用原理的周视系统图49新型周视瞄准镜1-保护玻璃，2-直角棱镜，3-物镜组,4-分划板，5-五角棱镜，6-厚透镜组,7-别汉棱镜，8-目镜图410 潜望系统l-头部棱镜 2-物镜 3-场镜 4-转像透镜组 5-道威棱镜 6-直角转向棱镜 7-分划板 8-目镜4.5.44.5.4周视瞄准系统总体参数选择周视瞄准系统总体参数选择1.技术要求技术要求v在水平方向周视在水平方向周视360360，目镜不动。，目镜不动。v测角范围：方向角测角范围：方向角360360，测角精度，测角精度0-010-01，v高低角高低角18 18，测角精度，测角精度0-020-02。v观察距离观察距离3km3km左右。左右。v观察范围：物方视场观察范围：物方视场22尽量大些。尽量大些。v潜望高度：潜望高度：H H不小于不小于180mm180mm。v出瞳距离：不小于出瞳距离：不小于20mm20mm。v尺寸限制：瞄准镜之镜筒外径均匀，最粗处不超过尺寸限制：瞄准镜之镜筒外径均匀，最粗处不超过 30mm(30mm(中部方向机构除外中部方向机构除外)。v重量；总重不超过重量；总重不超过4 kg4 kg。v像质清晰，像倾斜不超过像质清晰，像倾斜不超过6060。5858式周视瞄准镜式周视瞄准镜 4.5.44.5.4周视瞄准系统总体参数选择周视瞄准系统总体参数选择2.总体参数的选择总体参数的选择 （1）放大倍数的选择）放大倍数的选择（2）入瞳）入瞳D的选取的选取实际取=3.7，可看清3km之内的物体 按分辩率相匹配 k=1.7 由 得 4.5.44.5.4（3）视场 的选取2.总体参数的选择总体参数的选择一定类型的目镜，它的视场角 是一定的 一般 即可满足观察要求 则一般型式的目镜就能满足要求（4）物镜焦距 的选择 越长，体积越大，镜筒外径越粗。按技术要求，镜筒外径不能超过30mm，设计分划板直径的最大值 根据出瞳距不小于20mm的要求 实际仪器中（5 5）潜望高度对光学结构的影响）潜望高度对光学结构的影响 潜望高度越高，光学结构越复杂 4.5.44.5.42.总体参数的选择总体参数的选择（6 6）测角机构考虑）测角机构考虑采用蜗轮、蜗杆式测角装置 机械读数系统 解脱机构 锥齿轮式行星轮系（7 7）物镜、目镜的形式及像质要求）物镜、目镜的形式及像质要求 按系统之像质要求，物镜宜采用双胶物镜，目镜可采用对称式目镜。4.6 4.6 瞄准系统的微调机构及制动时产生的力瞄准系统的微调机构及制动时产生的力4.6.1 4.6.1 微调机构和参数选择微调机构和参数选择 1-制动架；2-制动螺旋；3-微动螺旋；4-杠杆；5-凸块；6-制动块；7-弹簧 微动机构的主要参数s、R、a、b与瞄准精度之间的关系 同轴制动、微动机构同轴制动、微动机构 4.6 4.6.2 4.6.2 制动机构的制动力计算制动机构的制动力计算4.7 4.7 激光定向系统激光定向系统 与瞄准系统具有同一功能，建立测量基准线以确定物与瞄准系统具有同一功能，建立测量基准线以确定物体的方位，或为建筑物、大型机器定向，或与另一台激光体的方位，或为建筑物、大型机器定向，或与另一台激光定向系统进行交会测量。定向系统进行交会测量。不同：激光定向系统是用不同：激光定向系统是用激光束激光束在空间建立一条基准线在空间建立一条基准线(或控制线或控制线)。瞄准系统是用带十字丝的瞄准系统是用带十字丝的分划板分划板作基准元件，通过光作基准元件，通过光学系统在空间建立一条学系统在空间建立一条不可见不可见的基准线进行测量工作。的基准线进行测量工作。激光定向系统的特点是把测量部位从仪器移到被测目标上。激光定向系统的特点是把测量部位从仪器移到被测目标上。4.7.2 4.7.2 激光定向系统的参数选择激光定向系统的参数选择4.7.1 4.7.1 激光定向系统的光学原理激光定向系统的光学原理 l-激光器激光器;2-入射窗入射窗;3-反射棱镜反射棱镜 4-聚光镜组聚光镜组;5-针孔光阑针孔光阑;6-分光镜分光镜;7-目镜目镜;8-分划板分划板;9-调焦调焦镜镜;10-发射物镜发射物镜 束腰、激光束的发散角束腰、激光束的发散角 、准直光学系统（倒置的、准直光学系统（倒置的望远系统，使激光器光束的发散角达到最小望远系统，使激光器光束的发散角达到最小 ）4.74.7.3 激光定向系统的照准误差激光定向系统的照准误差 光线照准测量标记的误差，主要取决于确定激光光光线照准测量标记的误差，主要取决于确定激光光斑中心位置的误差。确定了测量标记屏上的激光光斑中斑中心位置的误差。确定了测量标记屏上的激光光斑中心的位置，也就确定了光束轴线的位置。激光束的照准心的位置，也就确定了光束轴线的位置。激光束的照准误差还与激光光斑的均匀性，激光束轴线的偏心有关。误差还与激光光斑的均匀性，激光束轴线的偏心有关。4.7