阅读说明：本技术 一种等径光斑的激光发射接收系统 (Laser transmitting and receiving system with equal-diameter light spots ) 是由 吕战强 闫德凯 谢宇宙 吴泽楷 白雪敏 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种激光射击训练系统,具体说是一种利用激光进行模拟射击训练的系统。本发明一种等径光斑的激光发射接收系统,具有激光发射机和激光接收机；其中激光发射机安装在身管武器(身管武器包括除霰弹枪以外的枪械,以及具有直瞄射击能力的火炮)上,激光发射机发射光束的中心线与身管武器的瞄准线平行；在目标上安装有激光接收机；激光接收机能够接收激光发射机照射的光束,并在接收到激光束后发出相应的告知信号。激光发射机具有壳体；在壳体内设置有电池仓,电池仓内安装有电池；壳体的后方安装有激光发射头,在激光发射头的前方设置有圆柱状的光学通道,光学通道内部的前方由内向外安装有衍射镜片、O形隔圈一和窗口玻璃。(The invention relates to a laser shooting training system, in particular to a system for carrying out simulated shooting training by using laser. The invention relates to a laser transmitting and receiving system with equal-diameter light spots, which is provided with a laser transmitter and a laser receiver; wherein the laser transmitter is mounted on a barrel weapon (the barrel weapon includes firearms other than shotguns, and artillery with direct-aiming firing capability), the centerline of the light beam emitted by the laser transmitter is parallel to the line of sight of the barrel weapon; a laser receiver is arranged on the target; the laser receiver can receive the light beam irradiated by the laser transmitter and send out a corresponding informing signal after receiving the laser beam. The laser transmitter has a housing; a battery bin is arranged in the shell, and a battery is arranged in the battery bin; the laser emitting head is installed at the rear of the shell, the cylindrical optical channel is arranged in front of the laser emitting head, and the diffraction lens, the O-shaped spacer ring I and the window glass are installed in front of the interior of the optical channel from inside to outside.)

一种等径光斑的激光发射接收系统

技术领域

本发明涉及一种激光射击训练系统，具体说是一种利用激光进行模拟射击训练的系统。

背景技术

在军事训练中，常见有多种样式的射击瞄准训练，此类训练的目的是让射手学会打枪、学会打准枪。但这仅仅是基础的训练，为了提高实战环境下的射击水平，需要让射手到野外的实际环境下进行对抗射击训练，通过对抗双方利用地形、战术动作来进行互相射击，训练和检验射手临场反应和射击能力。

由于上述对抗训练双方都是真人参加，不能使用真实子弹互相射击。为达到对抗射击的效果,能够使用激光来进行模拟射击，来达到对抗训练的效果,即利用激光对抗射击系统来进行训练。

通常在激光对抗射击系统中，参加交战训练的每个人都在枪上安装有激光发射机，身上都佩戴有激光接收器。一方拿枪向目标扣动扳机时，激光发射机就发射一束激光，当枪向目标正确瞄准时，激光束就能照射到目标人上。此时目标人身上佩戴的激光接收器就能有感应，输出信号以示被命中。

激光发射机安装在枪管上，激光接收器佩戴在人员身上，能感应激光的照射。激光接收器也可做成背带的样式穿在训练人员的身上。

但是在实际使用中,激光束虽然发散较小，但是发散的特性是不能消除的，其大小和激光光学系统参数有关。由于激光束有发散特性，在激光近距离射击时光斑较小，而远距离射击时，光斑会变大。

这种不同距离上光斑大小不同，使得射手在远距离上射击，大光斑容易罩住目标，即容易击中目标；而在近距离上光斑小，较难用小光斑打中上目标，即近距离难于击中目标。而这与实际的实弹射击情况是不符合的,上述激光光斑因距离不同而不一致的问题，在激光射击训练时影响了实战效果的逼真度，成为众多生产激光训练器的厂家的难题和部队用户所提的焦点问题。

如何研制一种在不同距离上，激光光斑相同不变的激光发射、接收系统，是迫切需要解决的问题,从而能更好的使得训练能贴近实战的射击情况。

发明内容

针对上述常见交战训练系统中激光光斑大小不一的问题，本发明设计了一种等径光斑的激光收发射系统，能够有效解决对抗射击训练中激光光斑大小不一的问题。

首先对原有激光交战系统中激光光斑的成因进行分析，再提出相应的改进方法，实现各种距离光斑大小不变的功能。

在现有的激光设备中，品质最好的光束为高斯光束，即理论上最佳的光束状态。在实际工程产品中，光束状态多为近似高斯光束或若干高斯光束的组合状态，总体上接近高斯光束。高斯光束的激光强度表达式为：

ψ（x,y,z）= exp{i[ P(z) +(1/2)*Q(z)r² ]} （1）

高斯光束的断面形状为圆形，其强度分布为中心强，平滑向外过渡逐渐减小。从光束传输路径看，也即光束从近处到远处的过程中，光束因发散而逐渐变大。

通常人们所说看到的光斑，是指用光学传感器能探测到的光束范围，或是人眼看到能辨识的光强范围,部分光照强度弱的范围虽然存在，但是不能被感知，人们即认为那里不是光斑；因此也可定义光斑为光照强度大于传感器探测阈值的范围；或定义为：光斑是在光束中光强等于探测传感器感应阈值的点组成的包络线所构成的区域。

根据上述定义，在高斯光束向远距离传输时，其光斑的大小呈现如下特性：近距离的光斑较小；随着距离增加光斑逐渐增大；当距离进一步增大到时，光束区域很大，该位置的强度减弱，只能感知到中心部位的光强，其光斑就开始逐步随着距离增加而变小；再往远处到一定距离时，光束中心的照射强度低于探测传感器的阈值，就检测不到光斑了，也即到了光斑最大作用距离。其实在最大作用距离以及更远的位置，光束还是存在的，只是光强很弱了；这种样式的光斑分布，也即通常所说的“纺锤形”光柱，通常利用光斑开始变小的距离作为射击距离来应用。

从上看出，要实现不同传输距离上光斑大小不变的效果，光束的能量分布不能按高斯光束的特性分布，应将光束分布进行重新设计，才能达到所需的效果。

本发明设计了一种光束发射接收系统，将发射的光束中的能量分布按规定要求进行重新分布，使得激光束传输路径上光斑的大小为相同的尺寸，能够更好的满足模拟射击训练的情况。

本发明一种等径光斑的激光发射接收系统，具有激光发射机和激光接收机；其中激光发射机安装在身管武器（身管武器包括除***枪以外的枪械，以及具有直瞄射击能力的火炮）上，激光发射机发射光束的中心线与身管武器的瞄准线平行；在目标上安装有激光接收机；激光接收机能够接收激光发射机照射的光束，并在接收到激光束后发出相应的告知信号。

激光发射机具有壳体；在壳体内设置有电池仓，电池仓内安装有电池；壳体的后方安装有激光发射头，在激光发射头的前方设置有圆柱状的光学通道，光学通道内部的前方由内向外安装有衍射镜片、O形隔圈一和窗口玻璃。

激光束经过衍射透镜后，激光的光束的分布发生了规定的变化。衍射透镜是二元光学元件，通过微加工成形，当激光束通过衍射镜片后，光束发生衍射，在远场形成衍射图样，即激光接收机能接受的光斑范围；其图样的形状即能量分布可以通过设计该衍射透镜的微结构来实现。

进一步地，在衍射镜片后方还安装有凸透镜，用以进一步减小激光发射头发射激光的夹角，提高激光的平行度。

优选地，所述的凸透镜为单面凸透镜，安装方式优选为平面端朝内，在凸透镜与衍射镜片之间紧贴安装有O形密封圈二。

在光学通道内壁喷涂或电镀有反光材料，反光材料为金属膜或光学涂料；优选为光学涂料，光学涂料为漫反射光学涂料，其对光的反射为漫反射，相较于镜面反射，其不会造成激光能量分布不均的情况。

所述的激光接收机为现有。

本发明一种等径光斑的激光发射接收系统,其中的激光发射机在工作时,激光器光束经衍射镜片输出，发射的激光束衍射后能量分布为中心强，向外强度逐渐降低，变化曲线按下述公式递减：

（2）

其中，E0为中心区光强；α为光线与中心光轴的夹角；E为α角方向上的光强；v为中心恒定强度为E0的小区域的半角宽。

上式函数关系，经激光发射机发射后，光束能量在远场的分布随发射传播方向的关系；即激光射出方向上光强和中心点的光强比例，与此夹角的二次方成反比。

在上式中，v角度很小；半角为v以内的中心区光强均匀，E= E0，向外则光强随角度增加快速下降，

，即在规定的距离内，激光接收机在任意距离所能够接收到的圆形光斑直径一致。

利用本发明采用的激光发射机发出的这种光束，在目标方用固定灵敏度阈值的接收机来进行探测，所能显示的光斑在各个距离上都是相同大小，实现了等径光斑的功能，从而能真实地模拟不同距离的实弹射击，避免了现有的激光照射设备，光斑的面积伴随着距离的增大而增大，在超过一定距离后又急剧缩小的失真情况。

本发明的有益效果是：本系统提出了一种用衍射镜片对激光能量分布进行调整的方法，实现了激光发射机在不同的射击距离上的光斑大小都为相同的功能，根本上解决了以往激光光斑近小远大的问题，提升了激光交战中用激光射击模拟的逼真度。

本发明将通过具体实施例和附图加以说明。

附图说明

图1为本发明一种等径光斑的激光发射接收系统中激光发射机的剖视状态结构示意图。

图2为本发明一种等径光斑的激光发射接收系统中激光接收机的结构示意图。

图3 为本发明一种等径光斑的激光发射接收系统中激光发射机的光学通道结构示意图。

图4本发明一种等径光斑的激光发射接收系统中激光发射机安装在枪械上的示意图。

图5传统激光交战中激光发射接收系统的使用示意图一（光斑近小远大）。

图6传统激光交战中激光发射接收系统的使用示意图二（光斑近小远大）。

图7本发明一种等径光斑的激光发射接收系统中激光接收机内部的电路连接结构示意图。

图8激光的高斯光束分布示意图（左侧为横截面示意图，右侧为以O为圆心的光强分布示意图）。

图9激光的高斯光束分布示意图（纵向剖视图为拉长的水滴形，下部的圆形为不同距离光斑的形状）。

图10为理想状态下激光光斑在全程路径上的示意图（不同距离的激光光斑尺寸均相同）。

图11为本发明一种等径光斑的激光发射接收系统中激光发射机发射的激光束的光强分布示意图（立体状态）。

图12为本发明一种等径光斑的激光发射接收系统中激光发射机发射的激光束的光强分布示意图（沿激光发射方向的纵向剖视状态）。

图13为本发明一种等径光斑的激光发射接收系统中激光发射机发射的激光束在不同距离上的能量强度示意图。

图14为本发明一种等径光斑的激光发射接收系统中激光发射机发射的激光束在不同距离上光斑面积相比较的示意图（光斑面积均相同）。

图15不同距离上计算光强的示意图。

图16为本发明中衍射镜片及其局部放大结构示意图。

具体实施方式

参照图1-16,下面对本发明做进一步的详细说明：

本发明一种等径光斑的激光发射接收系统，具有激光发射机1和激光接收机2；其中激光发射机1安装在身管武器（身管武器包括除***枪以外的枪械，以及具有直瞄射击能力的火炮）上，激光发射机1发射光束的中心线与身管武器的瞄准线平行；在目标上安装有激光接收机2；激光接收机2能够接收激光发射机1照射的光束，并在接收到激光束后发出相应的告知信号。

激光发射机1具有壳体1-1；在壳体1-1内设置有电池仓1-2，电池仓1-2内安装有电池；壳体1-1的后方安装有激光发射头1-3，在激光发射头1-3的前方设置有圆柱状的光学通道1-4，光学通道1-4内部的前方由内向外安装有衍射镜片1-5、O形隔圈一1-6和窗口玻璃1-7。

激光束经过衍射透镜1-5后，激光的光束的分布发生了规定的变化。衍射透镜1-5是二元光学元件，通过微加工成形，当激光束通过衍射透镜1-5后，光束发生衍射，在远场形成衍射图样，即激光接收机2能接受的光斑范围；其图样的形状即能量分布可以通过设计该衍射透镜1-5的微结构来实现。

进一步地，在衍射镜片1-5后方还安装有凸透镜1-8，用以进一步减小激光发射头1-3发射激光的夹角，提高激光的平行度。

优选地，所述的凸透镜1-8为单面凸透镜，安装方式优选为平面端朝内，在凸透镜1-8与衍射镜片1-5之间紧贴安装有O形密封圈二1-9。

在光学通道1-4内壁喷涂或电镀有反光材料，反光材料为金属膜或光学涂料；优选为光学涂料，光学涂料为漫反射光学涂料，其对光的反射为漫反射，相较于镜面反射，其不会造成激光能量分布不均的情况。

所述的激光接收机2为现有。

本发明一种等径光斑的激光发射接收系统,其中的激光发射机1在工作时,激光器光束经衍射镜片1-5输出，发射的激光束衍射后能量分布为中心强，向外强度逐渐降低，变化曲线按下述公式递减：

（2）

其中，E0为中心区光强；α为光线与中心光轴的夹角；E为α角方向上的光强；v为中心恒定强度为E0的小区域的半角宽。

上式函数关系如图12所示，经激光发射机1发射后，光束能量在远场的分布随发射传播方向的关系；即激光射出方向上光强和中心点的光强比例，与此夹角的二次方成反比。

在上式中，v角度很小；半角为v以内的中心区光强均匀，E= E0，向外则光强随角度增加快速下降，

，即在规定的距离内，激光接收机在任意距离所能够接收到的圆形光斑直径一致。

实施例

在图4中，激光发射机1卡接在枪管上方，在下方通过发射机夹板和两颗夹板螺钉固定在枪管上夹紧。此时激光发射机1可以紧紧固定在枪上，和枪成为紧密一体。激光束中心指向和枪的瞄准线指向一致，枪瞄到哪里，光束中心也在那里。

以激光发射窗口为原点建立坐标系xyz，其中z轴方向为枪口指向、向前，x轴方向为水平向右，y轴方向向上,xyz构成左手坐标系。

在图3中为光学通道1-4的剖视示意图；左侧激光头1-3发出散射激光，为从中心点发出的点光源所产生，经过凸透镜1-8进行准直汇聚，射向衍射镜片1-5，经衍射镜片1-5射出的激光束，再经窗口玻璃1-7射向远方；窗口玻璃1-7的作用为密封和保护内部镜片。

图2所示的激光接收器2外部有指示灯208、喇叭209、接收电池帽211、激光入射窗口212。

图7则是激光接收器2的内部构成，分别有电池204、电源模块203、电路板210、指示灯208和喇叭209组成。

电池204的型号为14500，电源模块203将电池的电压进行稳压处理后送给电路板210，电路板210上集成了光电管201、放大器202、滤波器205、处理器206和驱动电路207。光电管201型号为PH302，它受到远距离激光的照射后，产生微小的电脉冲信号，电脉冲信号经过放大器202的放大，再经过滤波器进行滤波去噪声，当其强度达到规定阈值后，就能触发处理器206的接口，通过处理器对脉冲进行解码识别，当解码后确认为本系统的激光编码，就能触发驱动电路207，驱动指示灯208闪光和喇叭209发出声响，以示命中，也即目标落在本次射击的光斑范围内。

图12表示激光束经过衍射镜片1-5后，光束的分布发生了规定的变化。衍射镜片1-5是二元光学元件，通过微加工成形，当激光束通过衍射透镜后，光束发生衍射，在远场形成衍射图样。其图样的形状即能量分布可以通过设计该衍射透镜的微结构来实现。

如图12所示,本系统设计的衍射镜片1-5所产生的衍射后远场能量分布为中心强，向外强度快速降低，其光强变化曲线按下述公式：

其中，E0为中心区光强；α为光点的光线方向与中心轴线夹角；E为远场光束中α角方向的光强。

在远场光束的描述中，中心和边缘是相对于光轴的夹角而言，以角度为变量，单位使用弧度制。

按上述函数关系所述的远场光束，光束能量的分布随发射传播方向上的角度而变化。也即各发射方向上光强和中心点的光强比例，与此夹角的二次方成反比。

在此远场光束中，中心区很小的v角度范围内光强均匀为E0，向外则光强随角度增加快速下降。

当用一个灵敏度阈值预定好的激光探测器来探测上述激光束，能得到的光斑在不同距离上的大小，用下列计算来进行预计：

在图13中，在近距离上，光束照射的范围小，但是中部区域的强度较大，因此可探测的光斑尺寸不小；在远距离上，光束照射范围大，但是中部光强下降多，可被探测的光斑尺寸并不大。考虑射击距离L上的光斑情况，用图15来进行计算。

图15中，A为单位距离上的位置，假设为1米。B为任意距离L米的位置。在单位距离上的a点相对光轴夹角为α，对应同方向在L距离上的点为b，r为光斑轮廓半径。通常在用激光射击时，距离都较大，夹角就很小，此时：

α ≈ tan（α）= r / L

将远场光强映射到单位距离上，在推算距离L处的光强情况；在a点的光强为：

Ea = E0 /（α²）

按光能量传播规律，光强度与距离的平方成反比，则b点的光强为：

Eb = Ea / L²

=[ E0 /（α²）]/ L²

={ E0 /[(r / L)²]}/ L²

= E0 / (r²)

由此可知，b点的光强与距离L无关，与该点到光轴的距离r有关。当探测器的灵敏度阈值为Et时，光斑边缘轮廓对应的半径r满足：

Et = E0 / (r²)

则有:

所以，在各个距离L上的光斑半径r相同，也即在此种光束的传输路径上实现了等径光斑的功能，如图14所示。

在上图中，激光发射口附近有一个尖端的区域，为了改善其效果，将激光发射的凸透镜1-7左侧的空腔内增涂反光材料，使得激光器的边缘光有较多的可以散射出来，形成一定的补光效应，增加尖头***的光强，从而使得近处光斑轮廓如图14所示得到进一步的改善。

其它实施例

在图9的光路中，可以不用凸透镜，将衍射透镜设计为另一种光束能量转换模式，即直接将激光器发射的点光源散射光转换为公式（2）所描述的光束，也同样能获得等径光斑的激光束。这样可以少用一片凸透镜片，仅用一片衍射透镜也同样能达到预期的功能效果。

除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。