一種單鏡筒雙光束激光通信方法及應用

金夢軒,于 雷,房孝俊,劉 爽,鄭 毅,趙長松

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

近年來,國際軍事形勢日趨嚴峻,各國對軍事力量的重視程度也越來越高。在演習訓練過程中,由于實彈訓練往往需要巨大的經費開支,也存在許多不可控的風險,于是激光模擬對抗技術成為了各個國家的研究熱點[1]。在當前單兵對抗的激光模擬裝備中,由于激光束存在一定的發散角,光斑有一定的面積,而且士兵身上的激光接收探頭數量有限,在對抗過程中就不能準確辨別命中部位,導致不能合理地進行傷情判斷,甚至有時候將近處飛過的近彈仍判為命中,這對士兵射擊精準度的訓練效果有很大影響[2]。目前解決此問題的方法有兩種,一是設置三個距離檔位50 m、100 m、200 m,檔位切換后50 m處、100 m處、200 m處光斑大小相同,士兵可根據作用距離選擇檔位[3]；二是設計雙鏡筒雙激光器射出共軸光束,兩束光攜帶不同的編碼且發散角不一樣,再經過準直處理減小光斑面積,同時在服裝上安裝密集的接收探頭,內環光束命中即為有效命中[4]。方法一雖然可以保證在近距離處不會因為光斑過大而導致傷情誤判的概率過高,但是在200 m以上傷情誤判的概率會越來越高,而且士兵射擊前調檔位的操作也顯得比較繁瑣；方法二雖然能降低傷情誤判的概率,但是使用了兩個激光器和密集的探頭,且雙鏡筒系統過于復雜,成本高且單兵攜帶不便[4]。

針對上述兩種方法的不足,本文設計了一種單鏡筒雙光束結構,提出了利用該結構在實兵模擬對抗系統中較為準確的模擬傷情和識別近彈的方案。在該單鏡筒雙光束結構中,從鏡筒出射的光束被分成發散角不一樣的內外兩部分,內環光斑能量密度高于外環,再將接收探頭連接到兩個不同門限的電壓比較器用來區分內外環光束的照射,同時設計合適的探頭陣列,這樣就可以根據比較器輸出的高低電平組合以及探頭的位置來判斷光斑中心的位置,從而比較準確的判斷傷情和識別近彈。

2 單鏡筒雙光束結構

設計的單鏡筒雙光束結構如圖1所示,為了便于電壓比較器閾值的設計,需設計均勻能量密度的光斑,而且內外環能量密度近似成一定比例,所以選擇發射平頂光束的激光器。激光源固定在鏡筒左端,兩個焦距不同的整形鏡1和整形鏡2分別固定在鏡筒中間和右端,兩個整形鏡到激光源的距離分別等于各自的焦距。

圖1 單鏡筒雙光束結構圖

整形鏡1是一個環狀透鏡,通過壓圈固定,整形鏡2的形狀大小與透鏡1挖空的中間部分近似,放在一個固定架中,也通過壓圈固定。從右視圖可以看出,該固定架的三塊支撐片較薄,幾乎不影響光束的傳播[5]。激光源發射出激光束后,激光束被整形鏡1分成內外兩部分,外環光束通過整形鏡1整形后射出,內環光束穿過整形鏡1中間的挖孔再經過整形鏡2整形后射出。設計的兩個透鏡的焦距計算公式如下:

y=f×tanω

其中,y是激光器面半高；Y是光斑面半高;f是整形鏡焦距;ω是發散角;L是射擊距離。本文設計的激光束光斑取在100 m處內環光斑邊長10 cm、外環20 cm,則200 m處內環光斑邊長20 cm、外環40 cm,選擇激光器面邊長為60 μm,帶入公式可以計算出設計的整形透鏡的焦距分別為3 cm和6 cm。再設計兩個整形鏡合理的面積比,就可以設計出內外能量密度成一定比例的光斑。

利用光學仿真軟件TracePro可仿真出該單鏡筒雙光束結構出射光束的照度圖如圖2所示,激光器的功率為3 W,圖中光斑為作用距離10 m處的光斑,形狀近似為正方形,光斑內環能量密度高于外環,邊長大約2 cm的內環光斑能量密度平均在2500 W/m2左右,外環能量密度平均在600 W/m2左右,外環邊長大約為內環的兩倍,光斑的能量密度比由整形鏡1和整形鏡2的大小比例確定,根據能量密度的大小確定探測器所接比較器的閾值即可區分內外環光束的照射,實際使用時調整整形鏡的焦距及面積比例可得到上述100 m、200 m處的光斑。

圖2 單鏡筒雙光束結構出射光束的照度圖

3 探頭位置及接收處理

如圖3所示,為了能較準確地模擬訓練中士兵的傷情,設計了安裝在士兵身上正面的接收探頭的位置分布,頭頸部以及胸膛處為致命區,根據正常情況下士兵的體型比例[6],設定胸膛處致命區正方形邊長為20 cm,如圖2中實線所圍成正方形所示。探頭分為A、B、C三組,其中A組為1～3號探頭,位于中軸線上,覆蓋頭部、頸部、胸膛處這些致命部位；B組為4～7號探頭,在胸膛處致命區正方形半對角線中點處,覆蓋到重傷部位；C組為外側8～13號探頭,覆蓋身體周邊輕傷部位,圍成邊長30 cm的正方形,并與胸膛處致命區正方形共中心。

圖3 接收探頭位置圖

光斑中心可表示實際子彈的命中的位置,離致命區越遠受傷程度越輕。光斑的內外環能量不同,使得探頭接收后輸出的電壓信號高低也不同,A、B、C三組探頭分別接三組電壓比較器,每組為兩個不同門限的比較器,以區分該組探頭“無光”、“外環光”、“內環光”的照射狀態,即根據單片機探測到的高低電平組合來判斷傷情。探頭的接收處理電路示意圖如圖3所示,光信號經過大氣傳播會有很大的衰減,到達探頭時已經十分微弱,需經過光電轉換及放大電路后才能進一步處理,每組探頭輸出的信號分成兩路接兩個電壓比較器來區分內外環光束的照射[7]。如圖3所示,U1的門限電壓V1小于U2的門限電壓V2,若比較器U1輸出翻轉為1,則判斷該組探頭接收到外環光束,U2若翻轉則表示接收到內環光束。兩位數字信號“00”、“10”、“11”分別表示探頭組“無光”、“外環光”、“內環光”的照射狀態,將數字信號輸入單片機進行處理后便能結合探頭分布的位置判斷出具體傷情。

圖4 探頭接收處理示意圖

需要說明的是,同一探頭組的探頭采用串聯設計,當光斑覆蓋到多個探頭上時,為避免多個探頭的低電壓疊加后達到使較高門限比較器U2翻轉的幅度,在探頭的光接收面積相等情況下,設計內外環光斑的能量密度比為6∶1,這樣即使外環弱光照射到探頭數最多的C組全部探頭,也不會出現上述低電壓信號疊加導致高門限比較器翻轉的情況,同時A和B組也能避免該情況。上述已將光斑面積設計成外環比內環3∶1,所以只需將圖中的整形鏡1和整形鏡2面積設計成1∶2即可滿足內外環光斑的能量密度比為6∶1。另外,當接收方距發射方較近時,由于激光能量密度較大,外環光束的照射可能會造成光電探測器或放大器輸出飽和,即內環光束和外環光束均能使比較器輸出高電平,此時接收方將不區分內外環光束照射的狀態,和一般單光束激光模擬器一樣只有命中和非命中兩種狀態。

4 傷情判斷分析

激光束有一定的發散角,光斑就會隨著距離的增加而變大[8]。演習過程中,發射的激光束會攜帶GPS定位信息,接收方接收激光編碼信息后經過解碼可得到發射方位置信息[9],故可采用分距離段判斷的方法實現較為準確的傷情模擬,即根據目標距離的不同而采用不同的傷情碼表來判斷傷情。本文提出的單鏡筒雙光束激光通信方案,傷情判斷的距離段分為兩段,即100 m和200 m距離段,可適用于作用距離300 m的95-1式短步槍激光模擬器。出射激光束在100 m處內環光斑邊長10 cm,外環光斑邊長20 cm,100 m處具體判斷規則如下(如圖4所示):

圖5 100 m附近死亡、重傷、輕傷、近彈判斷光斑位置示意圖

1)死亡。判斷士兵死亡的條件是光斑中心在致命區內,對于命中頭頸部的情況容易判斷,頭部可由1號探頭判斷,即內環光斑覆蓋到1號探頭即判斷死亡；頸部的命中可由2號探測器判斷,考慮到實際情況頸部不適合安裝探頭,于是探頭裝在頸部中心下方5 cm處,判斷死亡條件即2號探頭有強光信號；胸部的命中可由3號以及B組探頭有強光信號來判斷,100 m處內環光斑面積剛好為胸膛處致命區正方形的1/4,B組探頭又在該正方形的半對角線中心處,故容易推算出能判斷為死亡的所有光斑中心點剛好是整個胸膛處致命區正方形區域內的點。

綜上所述,判斷死亡的條件是A組探頭或B組探頭有內環光束照射,如圖5(a)所示。

2)重傷。光斑中心在致命區外但在邊界探頭內的區域即判斷為重傷,根據C組探頭所在位置可知,當光斑中心剛好在胸膛處致命區邊緣上時,C組探頭剛好內環光斑覆蓋到；當光斑中心正好打中C組探頭時,B組探頭正好沒有弱光信號。綜上所述,判斷為重傷的條件為C組探頭有內環光束照射,同時B組有外環光束照射,如圖5(b)所示。

3)輕傷。判斷為輕傷時,光斑中心在四肢或身體邊緣處。由重傷的判斷條件可知當B組探頭剛好無光時,即可判斷為輕傷,于是輕傷的判斷的條件為C組探頭內環光束照射,同時B組探頭無光,如圖5(c)所示。

4)近彈。當內環光束偏離最外側C組探測器,但外環光束照到C組探測器時就能判斷是近彈飛過；當近彈在頭部周圍時,則A組探頭有弱光照射。所以近彈的判斷條件是A、B組探頭無光,C組有外環光束照射,或A組有外環光束照射,B、C組無光照射,如圖5(d)所示。

可列出通過三組探頭組合判斷各程度傷情對應的碼表如表1所示,50～150 m距離處可使用該碼表。六位傷情碼的5、4位,3、2位,1、0位分別對應A、B、C組探頭的電壓比較器輸出的兩位碼。

表1 100 m附近傷情碼表

出射激光束在200 m處內環光斑邊長20 cm,外環光斑邊長40 cm,200 m處具體判斷規則如下(如圖6所示):

圖6 200 m附近死亡、重傷、輕傷、近彈判斷光斑位置示意圖

1)死亡。200 m命中后判斷死亡的條件分析與100 m處類似,只是兩百米處光斑面積變大為100 m的4倍。由探頭分布位置可知,當光斑中心剛剛偏離致命區時,中軸線上的A組探頭剛好無強光照射,所以200 m處判斷為死亡的條件是A組探頭有內環光束照射,示意如圖6(a)。

2)重傷。當光斑中心在致命區邊緣時,A組探頭剛好是強光信號；當光斑中心在外側探頭輕傷區域上時,B組探頭正好是強光照射。所以,判斷重傷條件是A組探頭無內環光束照射,同時B組和C組探頭有內環光束照射,示意如圖6(b)。

3)輕傷。打在C組探頭附近的身體周邊時即為輕傷,由光斑面積以及探頭位置分布可知,當光斑中心偏離C組探頭10 cm時,B組探頭剛好無光,取偏離C組10 cm處為判斷輕傷的極限位置,所以輕傷判斷條件為B組探頭有外環光束照射,C組探頭有內環光束照射,示意如圖6(c)。

4)近彈。光斑中心偏離身體,最遠能判斷是近彈時,C組探頭或A組1號探頭剛好無光,所以近彈判斷條件是A組探頭有外環光,B、C組探頭無光,或C組探頭有外環光,A、C組探頭無光,示意如圖6(d)。

由以上分析可知,200 m處判斷的碼表如表2所示,150～300 m距離處可使用該碼表判斷傷情。

由以上分析可知,盡管在距離不是100 m,200 m處時光斑變大或者變小會影響傷情判斷準確率,但是相比傳統的單一光束的方法傷情判斷準確率要提升很多。所以對于95-1式短步槍激光模擬器,當出射方距接收方50～150 m處時,采用100 m處的傷情判斷碼表,150～300 m位置時,采用200 m處的傷情判斷碼表,可以大大降低模擬傷情時光束擴散、光斑變大對判斷準確率的影響。

表2 200 m附近傷情碼表

5 結 論

本文設計了一種單鏡筒雙光束結構,提出了在實兵模擬訓練系統中利用該結構提高傷情判斷準確率的方案,對傷情判斷規則做了具體的分析,同時采用分距離段判斷傷情的方案來提升判斷準確率,給出了傷情判斷碼表,分析了方案的可行性,在50～150 m處使用100 m處傷情碼表,在150～300 m處的傷情判斷碼表,相比一般的單光束激光發射系統可大大提升實兵交戰模擬對抗中95-1式短步槍激光模擬器作用時的傷情判斷準確率,給實兵交戰模擬對抗中的傷情模擬提供了一種參考方案。