CN109931818B - 一种直瞄火炮报靶系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种直瞄火炮实弹射击报靶系统及方法，系统包括激光探测自动检靶模块、控制模块、报靶模块以及无线通讯模块。其中，所述激光探测自动检靶模块用于形成一个激光检测扇面。本发明利用两个高速摆动的激光束形成扇面光幕，当有弹丸穿过扇面光幕时会被激光束照射到而形成反射波，本发明在靶面下方设置有激光接收探头组，当激光接收探头组捕捉到有弹丸反射波时，系统依据与两个激光发射装置所连接的角度传感器所检测的激光束各自转动的角度，加之两激光器之间的相对距离，即可计算出弹丸的空中位置，达到直瞄火炮实弹射击精度报靶的目的。

Description

一种直瞄火炮报靶系统及方法

技术领域

本系统涉及一种基于激光测角的直瞄火炮报靶系统及方法。具体地说，通过该系统可以昼夜对直瞄火炮的实弹射击进行精度报靶。

背景技术

直瞄火炮的作战对象多数为火力点、碉堡、装甲车辆等。其弹道平直、射速高，弹径小，训练时对其实弹射击精度的报靶一直是个重点难题。

目前的直瞄火炮实弹射击训练多采用一块布靶来模拟目标，用望远镜或摄像头直接观察布靶上弹孔的方法进行报靶。但上述训练方式存在着诸多问题，其中最主要的问题是随着武器科技的发展，某些弹丸的直径只有二十几毫米，高速穿过布靶后遗留的孔很小，望远镜和摄像头很难辨别是否命中；其二，望远镜和一般摄像头夜间无法进行观察，所以夜间实弹射击训练无法进行考核。

根据训练需求，也有厂商研发出直瞄火炮超声报靶系统。原理是测量弹丸掠过靶面时产生的超声激波，用多个声传感器进行分析计算报靶。但由于靶面较大，温度、湿度、风速、风向等诸多种因素的扰动，报靶精度远远大于弹径，不能满足训练的要求。

中国专利“对地攻击训练弹丸弹着点激光探测报靶系统”，公开号CN104634186的专利虽然是对地攻击弹丸弹着点的激光探测并不是直瞄武器报靶的激光探测，在技术手段上与本发明有些相似，都是采用公知的激光探测技术，但其测量方式与本发明完全不同。

其一，其权利要求书中第3条款中描述的方法并非采用本发明采用的测角技术而是采用“测距技术和雷达定位技术”；其说明书[0018]明确说明“通过激光探测器发射激光束，测量激光遇弹丸的返回时间获取弹丸与探测器距离，再根据两台以上激光探测器的相对位置信息及其在同一时刻与弹丸的距离值计算弹丸在激光靶面上的空间位置”。

其二，扫描方法是“每台激光探测器采用多发射单接收、单发射多接收或者多发射多接收三种方式”。其原理是用多个激光测距机拼合成扇面，对掠过的弹丸进行测距，从而计算出相对位置。

该专利不是针对直瞄火炮的报靶的构思，其系统结构复杂，其专利所述的“四台激光探测器”，“激光发射装置采用10个激光发射管”，实际上共采用了40个激光测距机所拼成的信号扇面采集系统，系统庞大，经济性较差。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种直瞄火炮报靶系统及方法，具有结构简单，报靶精度高，并且昼夜均可以准确报靶的有益效果。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种直瞄火炮实弹射击报靶系统，包括激光探测自动检靶模块、控制模块、报靶模块以及无线通讯模块；

其中，所述激光探测自动检靶模块包括2台激光发射装置、2个光束偏转器、以及激光接收探头组，两台所述激光发射装置分别设置在靶面的下方左、右两侧；

每台激光发射装置的激光束发射口处设有一台所述光束偏转器，光束偏转器用于将激光发射装置发射的激光束折射成扇面型探测激光束，所述扇面型探测激光束的共面部分叠加为一个激光靶面；

所述激光接收探头组由多个激光接收探头构成，位于靶面的下方；

所述控制模块包括工作状态控制单元和数据处理单元，其中，

所述工作状态控制单元用于控制激光探测自动检靶模块的工作状态；

所述数据处理单元用于对激光探测自动检靶模块测量数据进行实时处理、计算，形成训练成绩数据；

所述无线通讯模块，用于对控制模块与报靶模块之间的数据传输；

所述报靶模块，用于接收无线通讯模块传输的数据，并贮存、显示弹丸的命中信息，

当有弹丸穿过所述激光靶面时，弹丸会被扇面激光照射到并反射至下方的激光接收探头组，激光接收探头组中任何一个激光接收探头收到反射的激光后触发所述工作状态控制单元，工作状态控制单元即刻读取与两个激光发射装置共轴相连的角度传感器所检测的激光束各自偏转角度，工作状态控制单元将读取的两个光束角度数据传输给数据处理单元，数据处理单元利用工作状态控制单元读取的两个光束角度数据结合两个激光发射装置之间的距离数据解算出弹丸空中位置。

所述激光发射装置包括设置在靶面下方左侧的第一激光发射装置和设置在靶面下方右侧的第二激光发射装置，其中，所述第一激光发射装置和第二激光发射装置采用不同的频率调制激光或者不同波长的激光束；靶面底部的激光接收探头组连接不同频率的电子滤波器或者用不同波长的滤光片去区别左右两个通道所反射回来的激光。

所述光束偏转器为高速转动的多面棱镜。

在激光靶面底部设有激光接收探头组，激光接收探头组由多个窄角度激光接收探头组成，多个窄角度激光接收探头拼合形成大仰角的激光接收角度。

有益效果：

本发明相对于现有直瞄火炮报靶系统具有以下优点：

本发明报靶精度高。直瞄火炮的最佳报靶精度要求是小于半个弹径。本发明靶面下两个激光器之间的距离是一个不变的定值，与旋转棱镜共轴的角度传感器的分辨率将是影响报靶器精度的重要指标。假设距离激光器最远的弹丸为5米，目前我军常用直瞄火炮弹丸中最小的直径为27毫米，可以简单计算出激光束5米外扫描弹径的张角约为0.3度，而分辨率为0.1度的角度传感器市场上很容易获得。0.1度小于0.3度/2，以此类推该报靶器的报靶精度完全可以达到半个弹径。误差远远小于公开号CN104634186的专利中描述的用测距误差在±0.1m的激光测距机所测弹丸空中距离来换算的命中位置。

本发明昼夜均可以准确报靶。本发明采用激光技术，不受环境的影响，昼夜均可以准确报靶，解决了用望远镜或摄像头夜间无法观察布靶上弹孔的问题。

本发明性价比高。本发明中所提到的激光发射装置、高速旋转多面棱镜、角度传感器、窄角度激光接收探头、无线收发设备、控制设备、显示设备等，都是千元以下的市场产品。

附图说明

图1为本发明一种基于激光测角的直瞄火炮报靶系统的示意图。

其中，1为第一激光发射装置；2为第二激光发射装置；3为第一“扇面”型探测激光束；4为第二“扇面”型探测激光束；(5、6、7)为接收探头组的探头；8为弹丸反射波；9为靶面。

图2为本发明用多个窄角度激光接收探头构成激光接收探头组来加大接收仰角的示意图。

其中，10为单一激光接收探头形成的低接收仰角；

11为多个窄角度接收探头构成激光接收探头组获得的较大的仰角。

图3为本发明弹着点的计算坐标图；

其中，E为弹孔；A为第一激光发射装置发射的扫描角；B为第二激光发射装置发射的扫描角；0点为X，Y坐标系计算原点；(x，y)为弹着点坐标为；(W，H)为用户以靶心来表示弹丸命中位置的坐标，Q为其计算原点；C为两个激光发射装置之间的距离，d为靶面中心高度。

图4为本发明所提出的应用一个多面旋转棱镜反射激光束来改变光束偏转角度的示意图。

其中，12为棱镜，13为与棱镜同轴相连的角度传感器。

图5为本发明所提出的命中信息通过无线传输设备传给报靶模块的示意图。

其中，14为控制器；15为无线发射器；16为无线接收器；17为报靶模块；18为显示器。

具体实施方式

本发明提供了一种解决直瞄火炮实弹射击报靶的方法，可以对训练中炮弹命中靶的具体位置进行实时报靶。利用这些信息可以对实弹射击训练过程中炮手的瞄准射击技能以及成绩进行直观地评判。

为了完成上述目的和功能，本发明采取了多种技术手段，下面分别结合附图，具体说明本发明的系统结构和信息流程。

根据图1所示，直瞄火炮靶面9的左右两侧下方设置有激光发射装置，靶面底部设置有激光接收探头组，激光发射装置通过偏转器形成扫描扇面。

根据图2所示，接收系统利用多个窄角度探头组合成激光接收探头组来控制接收仰角。当采用单一激光接收探头时，为了接收整个靶面范围的反射信号，单一激光接收探头形成的低接收仰角10必须很小，激光束扫到周边植物或建筑物时产生的无效反射波会直接被激光接收探头接收到，形成干扰。本发明采用多个窄角度探头组合，多个窄角度接收探头构成的激光接收探头组可以使仰角11明显变大，只是指向天空，附近的干扰波无法进入窄角度激光接收探头，可以起到良好的抗干扰的作用。

根据图3所示，掠过激光扇面的弹丸反射回来的回波确定了供计算空间位置的第一激光发射装置发射的扫描角A、第二激光发射装置发射的扫描角B。第一激光发射装置发射的扫描角A、第二激光发射装置发射的扫描角B加之两个激光发射装置间的距离C即可计算出弹丸空间位置，具体计算方法如下所示：

设激光发射装置0点为计算原点，弹着点坐标为(x，y)。

③＝④，x tanA＝c tan B-x tan B

将X带入③

由于用户习惯用靶心为计算零点，以靶心体现弹丸空间位置的坐标为(WQH)，所以进行XOY坐标系和WQH坐标系转换，其中d为靶心高度：

W＝X-0.5C，h＝y-d

弹丸的空间位置坐标：

弹丸穿过激光扇面时形成的第一激光发射装置发射的扫描角A、第二激光发射装置发射的扫描角B以及2个激光器之间的距离C，即可以精确计算出弹丸穿过靶面时的具体坐标位置。

根据图4所示，激光发射装置产生的激光束通过光束偏转器棱镜12的折射，形成构成“扇面”的探测激光束，高速旋转的多面棱镜不断变化折射角度，即可形成激光扇面。与旋转棱镜同轴的角度传感器13可以实时把棱镜的转角传给控制器。

以图中具有8面的棱镜为示意，当旋转一周时，棱镜可以扫描8次，极大地增加了扫描频率，以满足对掠过靶面高速弹丸的激光扫描。实际应用中可以用10面或12面的多面棱镜以提高扫描速度。

根据图5所示，控制器14利用实时激光束的第一激光发射装置发射的扫描角A、第二激光发射装置发射的扫描角B，加之两个扫描器间距离C即可计算出弹丸空间位置，通过无线发射装置15传输给射手处。射手处无线接收机16接收发来的命中信息，通过报靶模块17最终显示在显示器18上供射手纠偏或考核。

根据本发明的一个方面，随着武器装备的发展，弹丸速度越来越快，弹丸穿过靶面的短暂时间内光束扇面必须照射到弹丸。本发明采用多面旋转棱镜反射激光束的方法可以提高扇面扫描速度。

根据本发明的一个方面，发射后的激光遇到了弹丸以及附近物体都会产生干扰反射波。为了抗干扰，系统用窄角度激光接收探头构成激光接收探头组安装在靶面底部，如果采用单一的接收探头在靶面底部接收整个靶面的反射信号，接收机的仰角必须很小才能满足覆盖靶面，此时，附近物体产生的干扰反射波很容易被接收到。本发明用数个窄角度激光接收探头拼合成激光接收探头组来加大接收机的仰角，避免周围树木和建筑物反射的干扰波进入镜头。

根据本发明的一个方面，为了避免两个激光器的相互干扰，激光发射装置采用左右不同的频率调制激光或者不同波长的激光束进行工作。靶面底部的激光接收探头组可以连接不同频率的电子滤波器或者用不同波长的滤光片去区别左右两个通道所反射回来的激光。

本发明中所提到的激光器、高速旋转多面棱镜、角度传感器、窄角度激光接收探头、电子滤波器、波长滤光片、无线收发设备、控制设备、显示设备等，目前已经是非常成熟的技术，本发明不再详尽描述。本发明内容只是利用这些成熟技术构建一个快速确定高速弹丸空间位置方法和系统，从而创新一种先进的直瞄火炮报靶手段。

Claims (4)

1.一种直瞄火炮实弹射击报靶系统的报靶方法，基于一种直瞄火炮实弹射击报靶系统，包括激光探测自动检靶模块、控制模块、报靶模块以及无线通讯模块；

其中，所述激光探测自动检靶模块包括2台激光发射装置、2个光束偏转器、以及激光接收探头组，两台所述激光发射装置分别设置在靶面的下方左、右两侧；

每台激光发射装置的激光束发射口处设有一台所述光束偏转器，光束偏转器用于将激光发射装置发射的激光束折射成扇面型探测激光束，所述扇面型探测激光束的共面部分叠加为一个激光靶面；

所述激光接收探头组由多个激光接收探头构成，位于靶面的下方；

所述控制模块包括工作状态控制单元和数据处理单元，其中，

所述工作状态控制单元用于控制激光探测自动检靶模块的工作状态；

所述数据处理单元用于对激光探测自动检靶模块测量数据进行实时处理、计算，形成训练成绩数据；

所述无线通讯模块，用于对控制模块与报靶模块之间的数据传输；

所述报靶模块，用于接收无线通讯模块传输的数据，并贮存、显示弹丸的命中信息；

其特征在于，

当有弹丸穿过所述激光靶面时，弹丸会被扇面激光照射到并反射至下方的激光接收探头组，激光接收探头组中任何一个激光接收探头收到反射的激光后触发所述工作状态控制单元，工作状态控制单元即刻读取与两个激光发射装置共轴相连的角度传感器所检测的激光束各自偏转角度，工作状态控制单元将读取的两个光束角度数据传输给数据处理单元，数据处理单元利用工作状态控制单元读取的两个光束角度数据结合两个激光发射装置之间的距离数据解算出弹丸空中位置。

2.根据权利要求1所述的一种直瞄火炮实弹射击报靶系统的报靶方法，其特征在于，所述激光发射装置包括设置在靶面下方左侧的第一激光发射装置和设置在靶面下方右侧的第二激光发射装置，其中，所述第一激光发射装置和第二激光发射装置采用不同的频率调制激光或者不同波长的激光束；靶面底部的激光接收探头组连接不同频率的电子滤波器或者用不同波长的滤光片去区别左右两个通道所反射回来的激光。

3.根据权利要求1所述的一种直瞄火炮实弹射击报靶系统的报靶方法，其特征在于，所述光束偏转器为高速转动的多面棱镜。

4.根据权利要求1所述的一种直瞄火炮实弹射击报靶系统的报靶方法，其特征在于，在激光靶面底部设有激光接收探头组，激光接收探头组由多个窄角度激光接收探头组成，多个窄角度激光接收探头拼合形成大仰角的激光接收角度。

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