一種單鏡筒雙光束激光通信方法及應(yīng)用

金夢軒,于 雷,房孝俊,劉 爽,鄭 毅,趙長松

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

近年來,國際軍事形勢日趨嚴(yán)峻,各國對軍事力量的重視程度也越來越高。在演習(xí)訓(xùn)練過程中,由于實(shí)彈訓(xùn)練往往需要巨大的經(jīng)費(fèi)開支,也存在許多不可控的風(fēng)險(xiǎn),于是激光模擬對抗技術(shù)成為了各個(gè)國家的研究熱點(diǎn)[1]。在當(dāng)前單兵對抗的激光模擬裝備中,由于激光束存在一定的發(fā)散角,光斑有一定的面積,而且士兵身上的激光接收探頭數(shù)量有限,在對抗過程中就不能準(zhǔn)確辨別命中部位,導(dǎo)致不能合理地進(jìn)行傷情判斷,甚至有時(shí)候?qū)⒔庯w過的近彈仍判為命中,這對士兵射擊精準(zhǔn)度的訓(xùn)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(shè)置三個(gè)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(jù)作用距離選擇檔位[3]；二是設(shè)計(jì)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(fā)散角不一樣,再經(jīng)過準(zhǔn)直處理減小光斑面積,同時(shí)在服裝上安裝密集的接收探頭,內(nèi)環(huán)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(huì)因?yàn)楣獍哌^大而導(dǎo)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(huì)越來越高,而且士兵射擊前調(diào)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(gè)激光器和密集的探頭,且雙鏡筒系統(tǒng)過于復(fù)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(shè)計(jì)了一種單鏡筒雙光束結(jié)構(gòu),提出了利用該結(jié)構(gòu)在實(shí)兵模擬對抗系統(tǒng)中較為準(zhǔn)確的模擬傷情和識別近彈的方案。在該單鏡筒雙光束結(jié)構(gòu)中,從鏡筒出射的光束被分成發(fā)散角不一樣的內(nèi)外兩部分,內(nèi)環(huán)光斑能量密度高于外環(huán),再將接收探頭連接到兩個(gè)不同門限的電壓比較器用來區(qū)分內(nèi)外環(huán)光束的照射,同時(shí)設(shè)計(jì)合適的探頭陣列,這樣就可以根據(jù)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(zhǔn)確的判斷傷情和識別近彈。

2 單鏡筒雙光束結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的單鏡筒雙光束結(jié)構(gòu)如圖1所示,為了便于電壓比較器閾值的設(shè)計(jì),需設(shè)計(jì)均勻能量密度的光斑,而且內(nèi)外環(huán)能量密度近似成一定比例,所以選擇發(fā)射平頂光束的激光器。激光源固定在鏡筒左端,兩個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)圖

整形鏡1是一個(gè)環(huán)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(gè)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(fā)射出激光束后,激光束被整形鏡1分成內(nèi)外兩部分,外環(huán)光束通過整形鏡1整形后射出,內(nèi)環(huán)光束穿過整形鏡1中間的挖孔再經(jīng)過整形鏡2整形后射出。設(shè)計(jì)的兩個(gè)透鏡的焦距計(jì)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(fā)散角;L是射擊距離。本文設(shè)計(jì)的激光束光斑取在100 m處內(nèi)環(huán)光斑邊長10 cm、外環(huán)20 cm,則200 m處內(nèi)環(huán)光斑邊長20 cm、外環(huán)40 cm,選擇激光器面邊長為60 μm,帶入公式可以計(jì)算出設(shè)計(jì)的整形透鏡的焦距分別為3 cm和6 cm。再設(shè)計(jì)兩個(gè)整形鏡合理的面積比,就可以設(shè)計(jì)出內(nèi)外能量密度成一定比例的光斑。

利用光學(xué)仿真軟件TracePro可仿真出該單鏡筒雙光束結(jié)構(gòu)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(nèi)環(huán)能量密度高于外環(huán),邊長大約2 cm的內(nèi)環(huán)光斑能量密度平均在2500 W/m2左右,外環(huán)能量密度平均在600 W/m2左右,外環(huán)邊長大約為內(nèi)環(huán)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(jù)能量密度的大小確定探測器所接比較器的閾值即可區(qū)分內(nèi)外環(huán)光束的照射,實(shí)際使用時(shí)調(diào)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)確地模擬訓(xùn)練中士兵的傷情,設(shè)計(jì)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(qū),根據(jù)正常情況下士兵的體型比例[6],設(shè)定胸膛處致命區(qū)正方形邊長為20 cm,如圖2中實(shí)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(qū)正方形半對角線中點(diǎn)處,覆蓋到重傷部位；C組為外側(cè)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(qū)正方形共中心。

圖3 接收探頭位置圖

光斑中心可表示實(shí)際子彈的命中的位置,離致命區(qū)越遠(yuǎn)受傷程度越輕。光斑的內(nèi)外環(huán)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(gè)不同門限的比較器,以區(qū)分該組探頭“無光”、“外環(huán)光”、“內(nèi)環(huán)光”的照射狀態(tài),即根據(jù)單片機(jī)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(jīng)過大氣傳播會(huì)有很大的衰減,到達(dá)探頭時(shí)已經(jīng)十分微弱,需經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及放大電路后才能進(jìn)一步處理,每組探頭輸出的信號分成兩路接兩個(gè)電壓比較器來區(qū)分內(nèi)外環(huán)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(zhuǎn)為1,則判斷該組探頭接收到外環(huán)光束,U2若翻轉(zhuǎn)則表示接收到內(nèi)環(huán)光束。兩位數(shù)字信號“00”、“10”、“11”分別表示探頭組“無光”、“外環(huán)光”、“內(nèi)環(huán)光”的照射狀態(tài),將數(shù)字信號輸入單片機(jī)進(jìn)行處理后便能結(jié)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(lián)設(shè)計(jì),當(dāng)光斑覆蓋到多個(gè)探頭上時(shí),為避免多個(gè)探頭的低電壓疊加后達(dá)到使較高門限比較器U2翻轉(zhuǎn)的幅度,在探頭的光接收面積相等情況下,設(shè)計(jì)內(nèi)外環(huán)光斑的能量密度比為6∶1,這樣即使外環(huán)弱光照射到探頭數(shù)最多的C組全部探頭,也不會(huì)出現(xiàn)上述低電壓信號疊加導(dǎo)致高門限比較器翻轉(zhuǎn)的情況,同時(shí)A和B組也能避免該情況。上述已將光斑面積設(shè)計(jì)成外環(huán)比內(nèi)環(huán)3∶1,所以只需將圖中的整形鏡1和整形鏡2面積設(shè)計(jì)成1∶2即可滿足內(nèi)外環(huán)光斑的能量密度比為6∶1。另外,當(dāng)接收方距發(fā)射方較近時(shí),由于激光能量密度較大,外環(huán)光束的照射可能會(huì)造成光電探測器或放大器輸出飽和,即內(nèi)環(huán)光束和外環(huán)光束均能使比較器輸出高電平,此時(shí)接收方將不區(qū)分內(nèi)外環(huán)光束照射的狀態(tài),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(tài)。

4 傷情判斷分析

激光束有一定的發(fā)散角,光斑就會(huì)隨著距離的增加而變大[8]。演習(xí)過程中,發(fā)射的激光束會(huì)攜帶GPS定位信息,接收方接收激光編碼信息后經(jīng)過解碼可得到發(fā)射方位置信息[9],故可采用分距離段判斷的方法實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的傷情模擬,即根據(jù)目標(biāo)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(nèi)環(huán)光斑邊長10 cm,外環(huán)光斑邊長20 cm,100 m處具體判斷規(guī)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(qū)內(nèi),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(nèi)環(huán)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(shí)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(qiáng)光信號；胸部的命中可由3號以及B組探頭有強(qiáng)光信號來判斷,100 m處內(nèi)環(huán)光斑面積剛好為胸膛處致命區(qū)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(diǎn)剛好是整個(gè)胸膛處致命區(qū)正方形區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)。

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

2)重傷。光斑中心在致命區(qū)外但在邊界探頭內(nèi)的區(qū)域即判斷為重傷,根據(jù)C組探頭所在位置可知,當(dāng)光斑中心剛好在胸膛處致命區(qū)邊緣上時(shí),C組探頭剛好內(nèi)環(huán)光斑覆蓋到；當(dāng)光斑中心正好打中C組探頭時(shí),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(nèi)環(huán)光束照射,同時(shí)B組有外環(huán)光束照射,如圖5(b)所示。

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

4)近彈。當(dāng)內(nèi)環(huán)光束偏離最外側(cè)C組探測器,但外環(huán)光束照到C組探測器時(shí)就能判斷是近彈飛過；當(dāng)近彈在頭部周圍時(shí),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(huán)光束照射,或A組有外環(huán)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(yīng)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(yīng)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(nèi)環(huán)光斑邊長20 cm,外環(huán)光斑邊長40 cm,200 m處具體判斷規(guī)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(dāng)光斑中心剛剛偏離致命區(qū)時(shí),中軸線上的A組探頭剛好無強(qiáng)光照射,所以200 m處判斷為死亡的條件是A組探頭有內(nèi)環(huán)光束照射,示意如圖6(a)。

2)重傷。當(dāng)光斑中心在致命區(qū)邊緣時(shí),A組探頭剛好是強(qiáng)光信號；當(dāng)光斑中心在外側(cè)探頭輕傷區(qū)域上時(shí),B組探頭正好是強(qiáng)光照射。所以,判斷重傷條件是A組探頭無內(nèi)環(huán)光束照射,同時(shí)B組和C組探頭有內(nèi)環(huán)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(shí)即為輕傷,由光斑面積以及探頭位置分布可知,當(dāng)光斑中心偏離C組探頭10 cm時(shí),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(huán)光束照射,C組探頭有內(nèi)環(huán)光束照射,示意如圖6(c)。

4)近彈。光斑中心偏離身體,最遠(yuǎn)能判斷是近彈時(shí),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(huán)光,B、C組探頭無光,或C組探頭有外環(huán)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(shí)光斑變大或者變小會(huì)影響傷情判斷準(zhǔn)確率,但是相比傳統(tǒng)的單一光束的方法傷情判斷準(zhǔn)確率要提升很多。所以對于95-1式短步槍激光模擬器,當(dāng)出射方距接收方50～150 m處時(shí),采用100 m處的傷情判斷碼表,150～300 m位置時(shí),采用200 m處的傷情判斷碼表,可以大大降低模擬傷情時(shí)光束擴(kuò)散、光斑變大對判斷準(zhǔn)確率的影響。

表2 200 m附近傷情碼表

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種單鏡筒雙光束結(jié)構(gòu),提出了在實(shí)兵模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中利用該結(jié)構(gòu)提高傷情判斷準(zhǔn)確率的方案,對傷情判斷規(guī)則做了具體的分析,同時(shí)采用分距離段判斷傷情的方案來提升判斷準(zhǔn)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(fā)射系統(tǒng)可大大提升實(shí)兵交戰(zhàn)模擬對抗中95-1式短步槍激光模擬器作用時(shí)的傷情判斷準(zhǔn)確率,給實(shí)兵交戰(zhàn)模擬對抗中的傷情模擬提供了一種參考方案。