一種新型單兵對抗激光模擬訓練系統(tǒng)

房孝俊,李長楨,劉 爽,鄭 毅,于 雷,聶 宵

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

激光模擬訓練系統(tǒng),是世界上先進部隊普遍采用的一種訓練手段,也是未來軍事訓練演習的重要方向[1-3]。近年來光電設備在軍事模擬訓練器材中的應用越發(fā)成熟,但用做射擊模擬器的激光發(fā)射機均為白光光學系統(tǒng)和激光發(fā)射光學系統(tǒng)分離式,這造成模擬訓練器材體積質量較大,攜帶不便等問題,不利于單兵在訓練作戰(zhàn)時使用；且當前用于模擬訓練中的激光發(fā)射機激光、白光無法與武器瞄準線共軸,與實際不符,使訓練效果大打折扣。此外,激光束有一定的發(fā)散角,距離遠時,光斑變大,易造成一顆“子彈”擊中一大片目標這種違背常理的情況；距離近時,光斑較小,則近距離目標比實戰(zhàn)中更難命中?？傊_保激光射擊模擬器和接收器之間模擬射擊和信息傳遞的可靠,提高激光模擬訓練系統(tǒng)的逼真性和實戰(zhàn)性,激光模擬訓練器材還需改進和完善。

本文依據(jù)傳統(tǒng)激光模擬訓練系統(tǒng)和激光射擊打靶系統(tǒng),提出一種新型單兵對抗激光模擬訓練系統(tǒng)。設計一種共孔徑式激光發(fā)射機的光學系統(tǒng),首次實現(xiàn)激光、白光共軸共光路；利用旋轉開關進行檔位調整,使不同作用距離的光斑大小相同,并將檔位納入編碼信息中。選用靈敏度高的光電二極管作為接收端的探測器,信息處理器處理以STM32為處理器做解碼等操作,其結果模擬戰(zhàn)損情況。采用共孔徑技術,使激光發(fā)射機體積縮小,可靠性增強,實現(xiàn)激光、白光、武器瞄準線同軸,使實戰(zhàn)與訓練有機統(tǒng)一,提高訓練質量。

2 系統(tǒng)總體構成

單兵激光模擬訓練系統(tǒng)主要包括激光射擊模擬器、接收器和信號處理器三部分,如圖1所示。激光發(fā)射機裝配在單兵所持武器組成激光射擊模擬器,發(fā)射編碼調制的激光,調制方式為脈沖調制,編碼信息包括身份識別、武器類型、彈藥類型、彈藥數(shù)量以及檔位信息等。接收器是由光電探測器及相關電路組成,用于接收處理激光信號；信息處理器內(nèi)有解碼模塊、定位模塊、姿態(tài)采集模塊、通信模塊；通過4G網(wǎng)絡向總臺實時上傳“傷亡”、位置、姿態(tài)等信息,總臺下傳校正信息；通過紅外通信與發(fā)射機通信。接收器和信息處理器是佩戴在單兵身上和頭盔上。

圖1 系統(tǒng)總體構成

3 射擊模擬器設計

3.1 單兵射擊模擬器結構

激光發(fā)射機與各類型槍械固定在一起組成射擊模擬器,通過調整激光發(fā)射機的作用距離、光斑、功率等來模擬自動步槍、輕機槍、重機槍及狙擊槍等多種單兵式武器。如圖2所示。

圖2 射擊模擬器構成

武器扳機與射擊模擬器的開關聯(lián)動,在扣動扳機的同時觸發(fā)主控電路,驅動聲光模擬顯示模塊工作,同時驅動激光器發(fā)射激光束,旋鈕開關根據(jù)作用距離調整發(fā)散角。這樣不僅不用研制特制的激光槍,降低成本,也利用戰(zhàn)士手中熟悉的武器,增強訓練的實戰(zhàn)氛圍,從而提高訓練質量。

3.2 激光驅動電路設計

本系統(tǒng)中采用的是波長為880 nm的半導體激光器(以下簡稱LD),工作電壓1.65 V,最大工作電流3.1 A,能夠輸出功率最高3 W的激光脈沖信號,足夠滿足實戰(zhàn)中射擊距離最大1800 m的要求[4-5]。

激光驅動單元包括供電變換電路、功率調整電路、信號及電流驅動電路、保護電路,如圖3所示。

圖3 激光驅動電路

由于系統(tǒng)供電采用14500 mA鋰電池,其可使用電壓范圍為2.8～4.2 V。為保證LD驅動電壓穩(wěn)定,采用LM5001芯片為LD提供穩(wěn)定可靠的供電,供電變換電路如圖4所示。

此外,將STM32的DAC管腳與芯片的FB管腳相連,可以通過調整單片機DA輸出值來調整芯片輸出電壓大小,從軟件層面實現(xiàn)對LD功率的調整,以滿足不同武器的功率要求。保護電路用于防止高頻干擾及浪涌,提高LD壽命,同時具備防反插功能,防止安裝時因為接口錯誤而導致的LD損壞。電流驅動電路通過單片機控制MOS管的通斷,將待發(fā)送信息轉換為激光編碼信息,并通過光學系統(tǒng)發(fā)射出去,模擬開槍功能。

圖4 供電變換電路

3.3 共孔徑式光學系統(tǒng)設計

用于模擬訓練的激光發(fā)射機光學系統(tǒng)包括白光光學系統(tǒng)(白光瞄準鏡)和激光發(fā)射光學系統(tǒng)(激光發(fā)射機)兩部分。白光光學系統(tǒng)接收待打擊目標反射的白光,供單兵瞄準待打擊的目標；激光發(fā)射光學系統(tǒng)是將激光光束進行準直壓縮后出射,來打擊目標。目前,激光發(fā)射機的白光系統(tǒng)和激光系統(tǒng)是互相獨立的,這樣就導致整個發(fā)射系統(tǒng)體積重量較大,攜帶不方便,不利于演習中使用。為了解決激光發(fā)射機和白光瞄準鏡分立使用帶來的問題,本文提出了一種共孔徑激光發(fā)射機光學系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 共孔徑式光學系統(tǒng)

圖5中,物鏡1為一個雙膠合透鏡,3為分光器,鍍有分光膜的直角棱鏡,用來分離白光光束和激光光束；2是激光器,位于微調焦精確的平移機構,可通過調整平移機構的位置來調節(jié)激光器的位置[6]。分化板4、轉像器5和目鏡6組成成像系統(tǒng),其中5為一組反向放置的雙膠合透鏡,6為一雙膠合透鏡或單透鏡組合,7是機械調節(jié)組件。其中,激光發(fā)射系統(tǒng)包括:激光器2、分光器3、物鏡1,物鏡1是準直激光光束；白光瞄準系統(tǒng)包括:物鏡1、分光器3、分化板4、轉像器5和目鏡6；二者通過分光器3實現(xiàn)了白光與激光公用物鏡。激光器2發(fā)出的光經(jīng)過分光器3反射穿過物鏡1,自然光經(jīng)物鏡1又經(jīng)分光器3成像在分劃板4上,再經(jīng)轉像器5把倒像轉為正像,最后通過目鏡6觀察。

該設計未使用復雜光學元件,精簡了光路,壓縮了系統(tǒng)體積,組裝簡單,成像質量好,便于安裝攜帶,實現(xiàn)了激光、白光、槍支瞄準線同軸；不宜由于振動等造成軸線跑偏,保證了激光調焦過程中光軸的穩(wěn)定性和一致性。在模擬射擊訓練時與實戰(zhàn)更加貼近,增加模擬訓練系統(tǒng)的準確性和逼真性。

3.4 光斑調節(jié)及檔位輸出設計

為保證不同作用距離光斑尺寸大致相同,即不同作用距離需要不同發(fā)散角,提出一種非接觸式旋轉開關及利用其進行檔位輸出。通過該旋轉開關,調整圖5中激光器的位置,改變激光器發(fā)散角的大小,實現(xiàn)激光發(fā)散角從小到大的寬動態(tài)范圍的連續(xù)變化,來滿足不同作用距離對大小光斑的需求。激光器在平移機構和穩(wěn)定機構保證激光在調焦過程中光軸穩(wěn)定性和一致性[6]。此種旋轉開關能夠三檔切換,分別對應不同的作用距離,在出光時讀取當前檔位并加入編碼中,以防止作弊。以模擬自動步槍的激光發(fā)射機為例,三個檔位設置為X1m、X2m和X3m,檔位切換后X1m處、X2m處、X3m處光斑大小相同,士兵可根據(jù)作用距離選擇檔位。具體結構如圖6所示。

圖6 非接觸式旋轉開關結構

圖6中5為旋鈕,與鋁板3貼合一側設有與感應部位7上各個霍爾傳感器相對應的三個卡槽51,當旋鈕5旋轉時,帶動傳動軸4進行移動,此時放置在旋鈕5的凹槽50內(nèi)的磁珠相對應的位置會隨旋鈕5的轉動角度而變化。當5上任意卡槽51移動到21的位置時,鋼珠卡入卡槽進行定位,此時磁珠6與感應部位上響應位置的霍爾傳感器相鄰接觸。當磁珠的磁場與霍爾傳感器相鄰接觸式,霍爾傳感器會產(chǎn)生一個電壓值,而未與磁珠接觸的不產(chǎn)生電壓,由此將此時的檔位信息輸出。以圖7為例,當旋鈕5上的卡槽Ⅲ 513轉動到鋼珠21的位置時,鋼珠21卡入卡槽Ⅲ 513進行定位,此時,磁珠6與霍爾傳感器Ⅲ 723相互作用,則霍爾傳感器Ⅲ 723的輸出電壓編碼的值為1,霍爾傳感器I 721和霍爾傳感器Ⅱ 722的輸出電壓為0,這時三個電壓編碼為100。主控電路中控制器讀取檔位信息。若單兵將檔位調至X1m檔,命中X3m外的目標,信息處理器解碼時會判定為無效,被命中者不會被判“傷亡”。

4 接收器設計

接收器一套完整的光電轉換電路,作用是能夠將激光信號轉換為電信號,并對信號做降噪、放大、整形、展寬等操作,滿足解碼要求,具體結構如圖8所示。

圖7 檔位輸出

圖8 接收器電路

Fig.8 The circuit of receiver

光電探測器是接收器的關鍵,硅光電池和光電二極管都具有穩(wěn)定性好、轉換效率高,壽命長等優(yōu)點,且最佳響應波長在0.8～1.0 μm,上節(jié)已介紹本系統(tǒng)采用的是880 nm的半導體激光器,探測器能夠較好的響應出射激光。

硅光電池在日光照射下電壓為0.2 V,如果根據(jù)電壓值變化檢測接收的信號,就容易受到環(huán)境光線的干擾,接收靈敏度不高[7]；如果根據(jù)電流值變化檢測接收的信號,光電池暗電流偏高的問題也需要解決；所以本系統(tǒng)決定選擇硅光電二極管做光電探測器,光電探測電路如圖9所示。

圖9 光電探測電路

圖9中V1為探測器,R1和C1為濾波元件,防止放大器的輸出端通過光電二極管的偏置電源引線再串入放大器的輸入端,引發(fā)自激。RL為光電二極管的負載電阻,為放大器提供信號輸入,將光信號轉換為電信號[8-10]?？紤]作用距離和信號帶寬的影響,做兩級放大電路放大處理；此時得到并不是規(guī)則的矩形脈沖信號,通過電壓比較器對信號做整形；同時本設計對比較器的輸出信號做展寬處理,便于解碼器的識別。本系統(tǒng)激光編碼是采用脈沖的時間間隔來表示信息元素,以50 kbps速率傳輸。圖10是接收器接收50 kbps的脈沖信號,每個脈沖信號都能接收到,未出現(xiàn)丟失的情況,說明該接收器能夠滿足要求。圖11是接收器接收某型號發(fā)射機發(fā)出的載有編碼信息的激光信號,也未出丟碼的情況。

圖10 50 kHz脈沖信號接收

圖11 編碼脈沖信號接收

圖10和圖11接收器接收后的信號幅值高于單片機的高電平,所以還應對信號進行限幅,使信號幅值略低于單片機的高電平,數(shù)據(jù)傳遞到信息處理器的單片機中做解碼處理。

5 信息處理器軟件設計

信息處理器的作用包括傷亡判定、驅動傷亡顯示裝置(煙霧、聲音和報警燈等)和定位姿態(tài)信息采集,如圖12所示。當接收器接收的激光脈沖信號送至單片機后,首先單片機識別“中彈”的部位,傷亡概率程序確定此部位被命中產(chǎn)生的殺傷效果,進而進行傷亡判定[11]。若士兵“陣亡”,通過紅外通信與射擊模擬器通信,將其鎖定；此外傷亡顯示裝置將啟動,驅動煙霧罐釋放煙霧,點亮報警燈,并發(fā)出警報聲,以示“中彈”。單兵身上佩戴定位模塊和姿態(tài)傳感器,定位模塊完成單兵位置信息采集,姿態(tài)傳感器用于捕捉單兵立姿和臥姿；當陣亡后需臥姿才可停止傷亡顯示裝置。

圖12 信息處理系統(tǒng)組成

同時,還要將傷亡信息和定位姿態(tài)信息上傳到總機。總臺會根據(jù)演習雙方的戰(zhàn)損情況,對演習結果做出評估。

6 結 論

本文提出一種新型的單兵訓練激光模擬訓練系統(tǒng),改進設計射擊模擬器、接收器和信息處理器。在發(fā)射系統(tǒng)中,設計出一種共孔徑式的光學系統(tǒng),首次實現(xiàn)白光、激光和槍械瞄準線共軸,解決了現(xiàn)有技術中激光發(fā)射機與白光瞄準鏡分立使用帶來的調軸困難、重量大、難攜帶等問題；根據(jù)作用距離設為三檔,利用旋轉開關平移激光器的位置,調整光斑大小,將檔位信息加入到編碼序列中,以防止作弊。接收系統(tǒng)中用硅光電二極管作為探測器,接收載有編碼信息的激光信號并做多級放大、整形展寬處理；信息處理系統(tǒng)做傷亡判定、信息采集操作。信息處理系統(tǒng)分別于射擊模擬器、總臺通信,使三者互聯(lián)互通；總臺能夠實時得知單兵的位置信息,以及傷亡情況等信息；可根據(jù)總臺處理數(shù)據(jù)能力決定演習的規(guī)模。該系統(tǒng)可有效模擬攻防戰(zhàn)斗,使實戰(zhàn)場景逼真再現(xiàn),為部隊演習訓練提供良好的平臺。