一种新型单兵对抗激光模拟训练系统

房孝俊,李长桢,刘 爽,郑 毅,于 雷,聂 宵

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

激光模拟训练系统,是世界上先进部队普遍采用的一种训练手段,也是未来军事训练演习的重要方向[1-3]。近年来光电设备在军事模拟训练器材中的应用越发成熟,但用做射击模拟器的激光发射机均为白光光学系统和激光发射光学系统分离式,这造成模拟训练器材体积质量较大,携带不便等问题,不利于单兵在训练作战时使用；且当前用于模拟训练中的激光发射机激光、白光无法与武器瞄准线共轴,与实际不符,使训练效果大打折扣。此外,激光束有一定的发散角,距离远时,光斑变大,易造成一颗“子弹”击中一大片目标这种违背常理的情况；距离近时,光斑较小,则近距离目标比实战中更难命中。总之确保激光射击模拟器和接收器之间模拟射击和信息传递的可靠,提高激光模拟训练系统的逼真性和实战性,激光模拟训练器材还需改进和完善。

本文依据传统激光模拟训练系统和激光射击打靶系统,提出一种新型单兵对抗激光模拟训练系统。设计一种共孔径式激光发射机的光学系统,首次实现激光、白光共轴共光路；利用旋转开关进行档位调整,使不同作用距离的光斑大小相同,并将档位纳入编码信息中。选用灵敏度高的光电二极管作为接收端的探测器,信息处理器处理以STM32为处理器做解码等操作,其结果模拟战损情况。采用共孔径技术,使激光发射机体积缩小,可靠性增强,实现激光、白光、武器瞄准线同轴,使实战与训练有机统一,提高训练质量。

2 系统总体构成

单兵激光模拟训练系统主要包括激光射击模拟器、接收器和信号处理器三部分,如图1所示。激光发射机装配在单兵所持武器组成激光射击模拟器,发射编码调制的激光,调制方式为脉冲调制,编码信息包括身份识别、武器类型、弹药类型、弹药数量以及档位信息等。接收器是由光电探测器及相关电路组成,用于接收处理激光信号；信息处理器内有解码模块、定位模块、姿态采集模块、通信模块；通过4G网络向总台实时上传“伤亡”、位置、姿态等信息,总台下传校正信息；通过红外通信与发射机通信。接收器和信息处理器是佩戴在单兵身上和头盔上。

图1 系统总体构成

3 射击模拟器设计

3.1 单兵射击模拟器结构

激光发射机与各类型枪械固定在一起组成射击模拟器,通过调整激光发射机的作用距离、光斑、功率等来模拟自动步枪、轻机枪、重机枪及狙击枪等多种单兵式武器。如图2所示。

图2 射击模拟器构成

武器扳机与射击模拟器的开关联动,在扣动扳机的同时触发主控电路,驱动声光模拟显示模块工作,同时驱动激光器发射激光束,旋钮开关根据作用距离调整发散角。这样不仅不用研制特制的激光枪,降低成本,也利用战士手中熟悉的武器,增强训练的实战氛围,从而提高训练质量。

3.2 激光驱动电路设计

本系统中采用的是波长为880 nm的半导体激光器(以下简称LD),工作电压1.65 V,最大工作电流3.1 A,能够输出功率最高3 W的激光脉冲信号,足够满足实战中射击距离最大1800 m的要求[4-5]。

激光驱动单元包括供电变换电路、功率调整电路、信号及电流驱动电路、保护电路,如图3所示。

图3 激光驱动电路

由于系统供电采用14500 mA锂电池,其可使用电压范围为2.8～4.2 V。为保证LD驱动电压稳定,采用LM5001芯片为LD提供稳定可靠的供电,供电变换电路如图4所示。

此外,将STM32的DAC管脚与芯片的FB管脚相连,可以通过调整单片机DA输出值来调整芯片输出电压大小,从软件层面实现对LD功率的调整,以满足不同武器的功率要求。保护电路用于防止高频干扰及浪涌,提高LD寿命,同时具备防反插功能,防止安装时因为接口错误而导致的LD损坏。电流驱动电路通过单片机控制MOS管的通断,将待发送信息转换为激光编码信息,并通过光学系统发射出去,模拟开枪功能。

图4 供电变换电路

3.3 共孔径式光学系统设计

用于模拟训练的激光发射机光学系统包括白光光学系统(白光瞄准镜)和激光发射光学系统(激光发射机)两部分。白光光学系统接收待打击目标反射的白光,供单兵瞄准待打击的目标；激光发射光学系统是将激光光束进行准直压缩后出射,来打击目标。目前,激光发射机的白光系统和激光系统是互相独立的,这样就导致整个发射系统体积重量较大,携带不方便,不利于演习中使用。为了解决激光发射机和白光瞄准镜分立使用带来的问题,本文提出了一种共孔径激光发射机光学系统,如图5所示。

图5 共孔径式光学系统

图5中,物镜1为一个双胶合透镜,3为分光器,镀有分光膜的直角棱镜,用来分离白光光束和激光光束；2是激光器,位于微调焦精确的平移机构,可通过调整平移机构的位置来调节激光器的位置[6]。分化板4、转像器5和目镜6组成成像系统,其中5为一组反向放置的双胶合透镜,6为一双胶合透镜或单透镜组合,7是机械调节组件。其中,激光发射系统包括:激光器2、分光器3、物镜1,物镜1是准直激光光束；白光瞄准系统包括:物镜1、分光器3、分化板4、转像器5和目镜6；二者通过分光器3实现了白光与激光公用物镜。激光器2发出的光经过分光器3反射穿过物镜1,自然光经物镜1又经分光器3成像在分划板4上,再经转像器5把倒像转为正像,最后通过目镜6观察。

该设计未使用复杂光学元件,精简了光路,压缩了系统体积,组装简单,成像质量好,便于安装携带,实现了激光、白光、枪支瞄准线同轴；不宜由于振动等造成轴线跑偏,保证了激光调焦过程中光轴的稳定性和一致性。在模拟射击训练时与实战更加贴近,增加模拟训练系统的准确性和逼真性。

3.4 光斑调节及档位输出设计

为保证不同作用距离光斑尺寸大致相同,即不同作用距离需要不同发散角,提出一种非接触式旋转开关及利用其进行档位输出。通过该旋转开关,调整图5中激光器的位置,改变激光器发散角的大小,实现激光发散角从小到大的宽动态范围的连续变化,来满足不同作用距离对大小光斑的需求。激光器在平移机构和稳定机构保证激光在调焦过程中光轴稳定性和一致性[6]。此种旋转开关能够三档切换,分别对应不同的作用距离,在出光时读取当前档位并加入编码中,以防止作弊。以模拟自动步枪的激光发射机为例,三个档位设置为X1m、X2m和X3m,档位切换后X1m处、X2m处、X3m处光斑大小相同,士兵可根据作用距离选择档位。具体结构如图6所示。

图6 非接触式旋转开关结构

图6中5为旋钮,与铝板3贴合一侧设有与感应部位7上各个霍尔传感器相对应的三个卡槽51,当旋钮5旋转时,带动传动轴4进行移动,此时放置在旋钮5的凹槽50内的磁珠相对应的位置会随旋钮5的转动角度而变化。当5上任意卡槽51移动到21的位置时,钢珠卡入卡槽进行定位,此时磁珠6与感应部位上响应位置的霍尔传感器相邻接触。当磁珠的磁场与霍尔传感器相邻接触式,霍尔传感器会产生一个电压值,而未与磁珠接触的不产生电压,由此将此时的档位信息输出。以图7为例,当旋钮5上的卡槽Ⅲ 513转动到钢珠21的位置时,钢珠21卡入卡槽Ⅲ 513进行定位,此时,磁珠6与霍尔传感器Ⅲ 723相互作用,则霍尔传感器Ⅲ 723的输出电压编码的值为1,霍尔传感器I 721和霍尔传感器Ⅱ 722的输出电压为0,这时三个电压编码为100。主控电路中控制器读取档位信息。若单兵将档位调至X1m档,命中X3m外的目标,信息处理器解码时会判定为无效,被命中者不会被判“伤亡”。

4 接收器设计

接收器一套完整的光电转换电路,作用是能够将激光信号转换为电信号,并对信号做降噪、放大、整形、展宽等操作,满足解码要求,具体结构如图8所示。

图7 档位输出

图8 接收器电路

Fig.8 The circuit of receiver

光电探测器是接收器的关键,硅光电池和光电二极管都具有稳定性好、转换效率高,寿命长等优点,且最佳响应波长在0.8～1.0 μm,上节已介绍本系统采用的是880 nm的半导体激光器,探测器能够较好的响应出射激光。

硅光电池在日光照射下电压为0.2 V,如果根据电压值变化检测接收的信号,就容易受到环境光线的干扰,接收灵敏度不高[7]；如果根据电流值变化检测接收的信号,光电池暗电流偏高的问题也需要解决；所以本系统决定选择硅光电二极管做光电探测器,光电探测电路如图9所示。

图9 光电探测电路

图9中V1为探测器,R1和C1为滤波元件,防止放大器的输出端通过光电二极管的偏置电源引线再串入放大器的输入端,引发自激。RL为光电二极管的负载电阻,为放大器提供信号输入,将光信号转换为电信号[8-10]。考虑作用距离和信号带宽的影响,做两级放大电路放大处理；此时得到并不是规则的矩形脉冲信号,通过电压比较器对信号做整形；同时本设计对比较器的输出信号做展宽处理,便于解码器的识别。本系统激光编码是采用脉冲的时间间隔来表示信息元素,以50 kbps速率传输。图10是接收器接收50 kbps的脉冲信号,每个脉冲信号都能接收到,未出现丢失的情况,说明该接收器能够满足要求。图11是接收器接收某型号发射机发出的载有编码信息的激光信号,也未出丢码的情况。

图10 50 kHz脉冲信号接收

图11 编码脉冲信号接收

图10和图11接收器接收后的信号幅值高于单片机的高电平,所以还应对信号进行限幅,使信号幅值略低于单片机的高电平,数据传递到信息处理器的单片机中做解码处理。

5 信息处理器软件设计

信息处理器的作用包括伤亡判定、驱动伤亡显示装置(烟雾、声音和报警灯等)和定位姿态信息采集,如图12所示。当接收器接收的激光脉冲信号送至单片机后,首先单片机识别“中弹”的部位,伤亡概率程序确定此部位被命中产生的杀伤效果,进而进行伤亡判定[11]。若士兵“阵亡”,通过红外通信与射击模拟器通信,将其锁定；此外伤亡显示装置将启动,驱动烟雾罐释放烟雾,点亮报警灯,并发出警报声,以示“中弹”。单兵身上佩戴定位模块和姿态传感器,定位模块完成单兵位置信息采集,姿态传感器用于捕捉单兵立姿和卧姿；当阵亡后需卧姿才可停止伤亡显示装置。

图12 信息处理系统组成

同时,还要将伤亡信息和定位姿态信息上传到总机。总台会根据演习双方的战损情况,对演习结果做出评估。

6 结 论

本文提出一种新型的单兵训练激光模拟训练系统,改进设计射击模拟器、接收器和信息处理器。在发射系统中,设计出一种共孔径式的光学系统,首次实现白光、激光和枪械瞄准线共轴,解决了现有技术中激光发射机与白光瞄准镜分立使用带来的调轴困难、重量大、难携带等问题；根据作用距离设为三档,利用旋转开关平移激光器的位置,调整光斑大小,将档位信息加入到编码序列中,以防止作弊。接收系统中用硅光电二极管作为探测器,接收载有编码信息的激光信号并做多级放大、整形展宽处理；信息处理系统做伤亡判定、信息采集操作。信息处理系统分别于射击模拟器、总台通信,使三者互联互通；总台能够实时得知单兵的位置信息,以及伤亡情况等信息；可根据总台处理数据能力决定演习的规模。该系统可有效模拟攻防战斗,使实战场景逼真再现,为部队演习训练提供良好的平台。