一种单镜筒双光束激光通信方法及应用

金梦轩,于 雷,房孝俊,刘 爽,郑 毅,赵长松

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

近年来,国际军事形势日趋严峻,各国对军事力量的重视程度也越来越高。在演习训练过程中,由于实弹训练往往需要巨大的经费开支,也存在许多不可控的风险,于是激光模拟对抗技术成为了各个国家的研究热点[1]。在当前单兵对抗的激光模拟装备中,由于激光束存在一定的发散角,光斑有一定的面积,而且士兵身上的激光接收探头数量有限,在对抗过程中就不能准确辨别命中部位,导致不能合理地进行伤情判断,甚至有时候将近处飞过的近弹仍判为命中,这对士兵射击精准度的训练效果有很大影响[2]。目前解决此问题的方法有两种,一是设置三个距离档位50 m、100 m、200 m,档位切换后50 m处、100 m处、200 m处光斑大小相同,士兵可根据作用距离选择档位[3]；二是设计双镜筒双激光器射出共轴光束,两束光携带不同的编码且发散角不一样,再经过准直处理减小光斑面积,同时在服装上安装密集的接收探头,内环光束命中即为有效命中[4]。方法一虽然可以保证在近距离处不会因为光斑过大而导致伤情误判的概率过高,但是在200 m以上伤情误判的概率会越来越高,而且士兵射击前调档位的操作也显得比较繁琐；方法二虽然能降低伤情误判的概率,但是使用了两个激光器和密集的探头,且双镜筒系统过于复杂,成本高且单兵携带不便[4]。

针对上述两种方法的不足,本文设计了一种单镜筒双光束结构,提出了利用该结构在实兵模拟对抗系统中较为准确的模拟伤情和识别近弹的方案。在该单镜筒双光束结构中,从镜筒出射的光束被分成发散角不一样的内外两部分,内环光斑能量密度高于外环,再将接收探头连接到两个不同门限的电压比较器用来区分内外环光束的照射,同时设计合适的探头阵列,这样就可以根据比较器输出的高低电平组合以及探头的位置来判断光斑中心的位置,从而比较准确的判断伤情和识别近弹。

2 单镜筒双光束结构

设计的单镜筒双光束结构如图1所示,为了便于电压比较器阈值的设计,需设计均匀能量密度的光斑,而且内外环能量密度近似成一定比例,所以选择发射平顶光束的激光器。激光源固定在镜筒左端,两个焦距不同的整形镜1和整形镜2分别固定在镜筒中间和右端,两个整形镜到激光源的距离分别等于各自的焦距。

图1 单镜筒双光束结构图

整形镜1是一个环状透镜,通过压圈固定,整形镜2的形状大小与透镜1挖空的中间部分近似,放在一个固定架中,也通过压圈固定。从右视图可以看出,该固定架的三块支撑片较薄,几乎不影响光束的传播[5]。激光源发射出激光束后,激光束被整形镜1分成内外两部分,外环光束通过整形镜1整形后射出,内环光束穿过整形镜1中间的挖孔再经过整形镜2整形后射出。设计的两个透镜的焦距计算公式如下:

y=f×tanω

其中,y是激光器面半高；Y是光斑面半高;f是整形镜焦距;ω是发散角;L是射击距离。本文设计的激光束光斑取在100 m处内环光斑边长10 cm、外环20 cm,则200 m处内环光斑边长20 cm、外环40 cm,选择激光器面边长为60 μm,带入公式可以计算出设计的整形透镜的焦距分别为3 cm和6 cm。再设计两个整形镜合理的面积比,就可以设计出内外能量密度成一定比例的光斑。

利用光学仿真软件TracePro可仿真出该单镜筒双光束结构出射光束的照度图如图2所示,激光器的功率为3 W,图中光斑为作用距离10 m处的光斑,形状近似为正方形,光斑内环能量密度高于外环,边长大约2 cm的内环光斑能量密度平均在2500 W/m2左右,外环能量密度平均在600 W/m2左右,外环边长大约为内环的两倍,光斑的能量密度比由整形镜1和整形镜2的大小比例确定,根据能量密度的大小确定探测器所接比较器的阈值即可区分内外环光束的照射,实际使用时调整整形镜的焦距及面积比例可得到上述100 m、200 m处的光斑。

图2 单镜筒双光束结构出射光束的照度图

3 探头位置及接收处理

如图3所示,为了能较准确地模拟训练中士兵的伤情,设计了安装在士兵身上正面的接收探头的位置分布,头颈部以及胸膛处为致命区,根据正常情况下士兵的体型比例[6],设定胸膛处致命区正方形边长为20 cm,如图2中实线所围成正方形所示。探头分为A、B、C三组,其中A组为1～3号探头,位于中轴线上,覆盖头部、颈部、胸膛处这些致命部位；B组为4～7号探头,在胸膛处致命区正方形半对角线中点处,覆盖到重伤部位；C组为外侧8～13号探头,覆盖身体周边轻伤部位,围成边长30 cm的正方形,并与胸膛处致命区正方形共中心。

图3 接收探头位置图

光斑中心可表示实际子弹的命中的位置,离致命区越远受伤程度越轻。光斑的内外环能量不同,使得探头接收后输出的电压信号高低也不同,A、B、C三组探头分别接三组电压比较器,每组为两个不同门限的比较器,以区分该组探头“无光”、“外环光”、“内环光”的照射状态,即根据单片机探测到的高低电平组合来判断伤情。探头的接收处理电路示意图如图3所示,光信号经过大气传播会有很大的衰减,到达探头时已经十分微弱,需经过光电转换及放大电路后才能进一步处理,每组探头输出的信号分成两路接两个电压比较器来区分内外环光束的照射[7]。如图3所示,U1的门限电压V1小于U2的门限电压V2,若比较器U1输出翻转为1,则判断该组探头接收到外环光束,U2若翻转则表示接收到内环光束。两位数字信号“00”、“10”、“11”分别表示探头组“无光”、“外环光”、“内环光”的照射状态,将数字信号输入单片机进行处理后便能结合探头分布的位置判断出具体伤情。

图4 探头接收处理示意图

需要说明的是,同一探头组的探头采用串联设计,当光斑覆盖到多个探头上时,为避免多个探头的低电压叠加后达到使较高门限比较器U2翻转的幅度,在探头的光接收面积相等情况下,设计内外环光斑的能量密度比为6∶1,这样即使外环弱光照射到探头数最多的C组全部探头,也不会出现上述低电压信号叠加导致高门限比较器翻转的情况,同时A和B组也能避免该情况。上述已将光斑面积设计成外环比内环3∶1,所以只需将图中的整形镜1和整形镜2面积设计成1∶2即可满足内外环光斑的能量密度比为6∶1。另外,当接收方距发射方较近时,由于激光能量密度较大,外环光束的照射可能会造成光电探测器或放大器输出饱和,即内环光束和外环光束均能使比较器输出高电平,此时接收方将不区分内外环光束照射的状态,和一般单光束激光模拟器一样只有命中和非命中两种状态。

4 伤情判断分析

激光束有一定的发散角,光斑就会随着距离的增加而变大[8]。演习过程中,发射的激光束会携带GPS定位信息,接收方接收激光编码信息后经过解码可得到发射方位置信息[9],故可采用分距离段判断的方法实现较为准确的伤情模拟,即根据目标距离的不同而采用不同的伤情码表来判断伤情。本文提出的单镜筒双光束激光通信方案,伤情判断的距离段分为两段,即100 m和200 m距离段,可适用于作用距离300 m的95-1式短步枪激光模拟器。出射激光束在100 m处内环光斑边长10 cm,外环光斑边长20 cm,100 m处具体判断规则如下(如图4所示):

图5 100 m附近死亡、重伤、轻伤、近弹判断光斑位置示意图

1)死亡。判断士兵死亡的条件是光斑中心在致命区内,对于命中头颈部的情况容易判断,头部可由1号探头判断,即内环光斑覆盖到1号探头即判断死亡；颈部的命中可由2号探测器判断,考虑到实际情况颈部不适合安装探头,于是探头装在颈部中心下方5 cm处,判断死亡条件即2号探头有强光信号；胸部的命中可由3号以及B组探头有强光信号来判断,100 m处内环光斑面积刚好为胸膛处致命区正方形的1/4,B组探头又在该正方形的半对角线中心处,故容易推算出能判断为死亡的所有光斑中心点刚好是整个胸膛处致命区正方形区域内的点。

综上所述,判断死亡的条件是A组探头或B组探头有内环光束照射,如图5(a)所示。

2)重伤。光斑中心在致命区外但在边界探头内的区域即判断为重伤,根据C组探头所在位置可知,当光斑中心刚好在胸膛处致命区边缘上时,C组探头刚好内环光斑覆盖到；当光斑中心正好打中C组探头时,B组探头正好没有弱光信号。综上所述,判断为重伤的条件为C组探头有内环光束照射,同时B组有外环光束照射,如图5(b)所示。

3)轻伤。判断为轻伤时,光斑中心在四肢或身体边缘处。由重伤的判断条件可知当B组探头刚好无光时,即可判断为轻伤,于是轻伤的判断的条件为C组探头内环光束照射,同时B组探头无光,如图5(c)所示。

4)近弹。当内环光束偏离最外侧C组探测器,但外环光束照到C组探测器时就能判断是近弹飞过；当近弹在头部周围时,则A组探头有弱光照射。所以近弹的判断条件是A、B组探头无光,C组有外环光束照射,或A组有外环光束照射,B、C组无光照射,如图5(d)所示。

可列出通过三组探头组合判断各程度伤情对应的码表如表1所示,50～150 m距离处可使用该码表。六位伤情码的5、4位,3、2位,1、0位分别对应A、B、C组探头的电压比较器输出的两位码。

表1 100 m附近伤情码表

出射激光束在200 m处内环光斑边长20 cm,外环光斑边长40 cm,200 m处具体判断规则如下(如图6所示):

图6 200 m附近死亡、重伤、轻伤、近弹判断光斑位置示意图

1)死亡。200 m命中后判断死亡的条件分析与100 m处类似,只是两百米处光斑面积变大为100 m的4倍。由探头分布位置可知,当光斑中心刚刚偏离致命区时,中轴线上的A组探头刚好无强光照射,所以200 m处判断为死亡的条件是A组探头有内环光束照射,示意如图6(a)。

2)重伤。当光斑中心在致命区边缘时,A组探头刚好是强光信号；当光斑中心在外侧探头轻伤区域上时,B组探头正好是强光照射。所以,判断重伤条件是A组探头无内环光束照射,同时B组和C组探头有内环光束照射,示意如图6(b)。

3)轻伤。打在C组探头附近的身体周边时即为轻伤,由光斑面积以及探头位置分布可知,当光斑中心偏离C组探头10 cm时,B组探头刚好无光,取偏离C组10 cm处为判断轻伤的极限位置,所以轻伤判断条件为B组探头有外环光束照射,C组探头有内环光束照射,示意如图6(c)。

4)近弹。光斑中心偏离身体,最远能判断是近弹时,C组探头或A组1号探头刚好无光,所以近弹判断条件是A组探头有外环光,B、C组探头无光,或C组探头有外环光,A、C组探头无光,示意如图6(d)。

由以上分析可知,200 m处判断的码表如表2所示,150～300 m距离处可使用该码表判断伤情。

由以上分析可知,尽管在距离不是100 m,200 m处时光斑变大或者变小会影响伤情判断准确率,但是相比传统的单一光束的方法伤情判断准确率要提升很多。所以对于95-1式短步枪激光模拟器,当出射方距接收方50～150 m处时,采用100 m处的伤情判断码表,150～300 m位置时,采用200 m处的伤情判断码表,可以大大降低模拟伤情时光束扩散、光斑变大对判断准确率的影响。

表2 200 m附近伤情码表

5 结 论

本文设计了一种单镜筒双光束结构,提出了在实兵模拟训练系统中利用该结构提高伤情判断准确率的方案,对伤情判断规则做了具体的分析,同时采用分距离段判断伤情的方案来提升判断准确率,给出了伤情判断码表,分析了方案的可行性,在50～150 m处使用100 m处伤情码表,在150～300 m处的伤情判断码表,相比一般的单光束激光发射系统可大大提升实兵交战模拟对抗中95-1式短步枪激光模拟器作用时的伤情判断准确率,给实兵交战模拟对抗中的伤情模拟提供了一种参考方案。