Лазерный имитатор стрельбы
LASER FIRE SIMULATOR

Изобретение относится к лазерным учебно-тренировочным средствам и может быть использовано для имитации стрельбы из стрелкового оружия с имитацией поражения.
Известен лазерный имитатор стрельбы, содержащий оптически связанные объектив, панкратическую оптическую формирующую систему, осветитель и лазер с источником питания. Имитация поражения осуществляется с помощью размещенных на цели фотоприемников. Для имитации вероятности попадания в цель при задании дальности панкратическая оптическая формирующая система формирует на заданной дальности пятно определенного (постоянного) размера. При правильном вводе дальности, при условии точного прицеливания, лазерное пятно "накрывает" определенное количество фотоприемников, что оценивается как попадание в цель (Авт.св. СССР №1605673, МПК F41G 3/26, 26.05.1980).
Указанный имитатор имеет сложную конструкцию из-за наличия панкратической системы. Имитатор не обеспечивает точности имитации вероятности попадания в цель, т.к. не обеспечивает в формируемом пятне постоянной плотности мощности. Если плотность мощности излучения в пятне на введенной дальности превышает пороговую величину, определяемую фотоприемниками, то такой луч будет зарегистрирован фотоприемниками и на больших дальностях, причем с большей вероятностью из-за расходимости луча, что противоречит результатам реальной стрельбы.
Известны лазерные имитаторы стрельбы, имитационная стрельба из которых более приближена к реальной за счет имитации ввода углов прицеливания и формирования пространственно кодированного по плотности мощности пятна лазерного излучения. В таких имитаторах формирование определенного размера пятна на дальности стрельбы осуществляется с помощью транспаранта, выполненного в виде многослойного интерференционного светофильтра переменной оптической плотности (Патент РФ №2037767, МПК F41G 3/26, 21.02.1986; патент РФ №2537872, МПК F41G 3/26, 09.01.2014).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению - прототипом - является лазерный имитатор стрельбы, входящий в состав лазерного имитатора стрельбы и поражения (патент РФ №2537872, МПК F41G 3/26, 09.01.2014).
1
2
N
1
2
i
N
Лазерный имитатор стрельбы содержит оптически связанные лазер, транспарант и объектив, транспарант установлен в фокальной плоскости объектива. Транспарант выполнен в виде светофильтра переменной оптической плотности. Транспарант имеет N зон, где N - не менее 2, с размерами r<r<…<r и коэффициентами пропускания в зонах τ>τ>τ….>τ. Центры указанных зон совмещены или смещены относительно друг друга по вертикали.
Кроме того, для имитации обстрела в имитаторе - прототипе на транспаранте выполнена дополнительная зона, охватывающая упомянутые зоны или часть из них, коэффициент пропускания которой меньше коэффициентов пропускания указанных зон.
Транспарант с совмещенными центрами зон применим для имитации оружия, в котором учет баллистики некритичен, например для оружия ближнего боя (пистолеты, пистолеты-пулеметы и др.). Для имитации ввода углов прицеливания (баллистики оружия) зоны транспаранта смещены относительно друг друга в вертикальной плоскости. В зависимости от используемой оптической системы имитатора стрельбы (с оборачиванием или без оборачивания изображения) нижняя зона транспаранта выполняется с наибольшими размерами и наименьшим коэффициентом пропускания, или, наоборот, верхняя зона.
Имитатор формирует лазерный луч с максимальной угловой расходимостью, которая необходима для обеспечения определенного размера пятна на минимальной дальности. Увеличение размеров пятна на больших дальностях за счет расходимости излучения сопровождается уменьшением плотности мощности в пятне, т.о. с увеличением дальности все большая часть пятна "обрезается", т.е. не воспринимается приемником излучения на цели. Постоянный размер пятна обеспечивается выбором начального распределения плотности мощности в луче при фиксированном пороге срабатывания приемного устройства имитатора поражения.
Правильная оценка дальности стрельбы стрелком контролируется путем оценки ввода угла прицеливания: на минимальной дальности приемник излучения на цели срабатывает в любой точке лазерного пятна, а на максимальной - только в нижней его части.
Указанный имитатор стрельбы имеет следующие недостатки.
1. Технологическая сложность изготовления светофильтра переменной оптической плотности: сначала изготавливают методом литографии отдельно шаблоны с соответствующими зонами, затем последовательно наносят многослойное покрытие в каждой зоне. Шаблоны должны совмещаться с большой точностью. При этом не обеспечивается полная повторяемость результата, имеет место разброс характеристик транспаранта от образца к образцу.
2. Недостаточная точность имитации стрельбы из-за скачкообразного изменения коэффициентов пропускания в зонах светофильтра. Технологически сложно выполнить транспарант с большим количеством зон для более плавного изменения коэффициентов пропускания с целью обеспечения плавной зависимости плотности мощности излучения от угла расходимости излучения (от угловой координаты). Технологические допуски на разброс коэффициентов пропускания, обусловленные технологией нанесения покрытия, таковы, что при малых различиях коэффициентов пропускания в соседних зонах эти зоны могут перекрываться. Поэтому в интерференционном транспаранте скачки между зонами (по пропусканию и по шагу угла прицеливания) приходится делать большими, а это не позволяет достичь требуемой точности имитации учета углов прицеливания. Имитация ввода углов прицеливания при скачкообразном изменении коэффициентов пропускания в зонах светофильтра при вводе углов прицеливания не позволяет имитировать требуемую дальность действия, соответствующую этому углу.
Задачей изобретения является создание лазерного имитатора стрельбы с получением следующих технических результатов: повышение технологичности имитатора стрельбы, повышение точности имитации стрельбы путем обеспечения более плавного и стабильного от образца к образцу (повторяемого) распределения плотности мощности излучения в пятне.
1
2
N
1
2
i
N
Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Лазерный имитатор стрельбы, как и прототип, содержит оптически связанные лазер, транспарант и объектив, причем транспарант установлен в фокальной плоскости объектива, при этом транспарант имеет N зон, где N - не менее 2, с размерами r<r<…<r и коэффициентами пропускания в зонах τ>τ>τ…>τ, центры указанных зон совмещены или смещены относительно друг друга по вертикали. В отличие от прототипа транспарант выполнен в виде дифракционного оптического элемента (ДОЭ) с чередованием штрихов с максимальным и минимальным пропусканием, при этом выполняются условия
,
i
где d - ширина штрихов с минимальным пропусканием в i-й зоне;
i
τ - коэффициент пропускания в i-й зоне;
Т - период штрихов ДОЭ,
,
min
где λ - минимальная рабочая длина волны излучения лазера;
ϕ - апертурный угол объектива.
Работа ДОЭ основана на управлении величиной выходного излучения в нулевом порядке дифракции. Нулевой порядок дифракции не изменяет направления распространения, не имеет ограничений по дифракционной эффективности, поэтому используется как выходящий.
вых
к
Световой поток, проходя через ДОЭ, разлагается в угловой спектр на ряд дифракционных порядков. Нулевой порядок с интенсивностью I не изменяет направления распространения, а первый и последующие дифракционные порядки с интенсивностью I распространяются под углами к оптической оси (см., например, Кухлинг X. Справочник по физике. - М.: Мир, 1982. с. 292)
к
где α - угол распространения к-го порядка дифракции к оптической оси;
к - номер дифракционного порядка;
λ - длина волны излучения лазера;
Т - период штрихов ДОЭ.
В скалярном приближении (Т>>λ) интенсивность излучения в нулевом порядке описывается выражением
где ϕ - фазовый сдвиг;
t - амплитудный коэффициент пропускания штрихов;
Q - скважность штрихов ДОЭ.
Скважность штрихов ДОЭ равна
где d - ширина штриха.
При использовании ДОЭ с непрозрачными штрихами (t=0) из выражений (2, 3) следует, что коэффициент пропускания ДОЭ зависит от скважности штрихов ДОЭ, т.е. от геометрических параметров штрихов ДОЭ: ширины штрихов и периода штрихов
Отсюда ширина штрихов ДОЭ равна
Исходя из выражения (1), величина периода Т выбирается таким образом, чтобы первый и последующие порядки дифракции не попали в объектив (см., например, Кухлинг X. Справочник по физике. - М.: Мир, 1982. с. 292). Это условие стабильно выполняется для полупроводникового лазера, если величина периода Т определена, исходя из минимально возможной длины волны излучения лазера с учетом технологического и температурного разброса значений λ
,
мин
где λ - минимальная рабочая длина волны излучения лазера;
ϕ - апертурный угол объектива.
Количество зон транспаранта определяется дальностью действия имитируемого оружия и практически должно быть не менее двух. При выполнении большого количества зон с небольшим изменением ширины штрихов ДОЭ в зонах достигается плавное распределение плотности мощности в плоскости цели.
Пример конкретного выполнения устройства приведен на чертежах.
На фиг. 1 представлена оптическая схема лазерного имитатора стрельбы.
На фиг. 2 показан общий вид зон ДОЭ.
На фиг. 3 показано относительное изменение коэффициента пропускания по зонам ДОЭ.
Лазерный имитатор стрельбы содержит оптически связанные последовательно установленные полупроводниковый лазер 1, транспарант, выполненный в виде дифракционного оптического элемента (ДОЭ) 2 на основе дифракционной решетки, и объектив 3. ДОЭ 2 установлен в фокальной плоскости объектива 3. Излучение регистрируется фотоприемным устройством 4, установленным на объекте поражения.
1
2
3
4
1
2
3
4
4
4
ДОЭ 2 имеет четыре зоны с размерами зон r<r<r<r и коэффициентами пропускания в зонах τ>τ>τ>τ. Центры зон смещены по вертикали. Зона ДОЭ с размером r и коэффициентом пропускания τ имеет наибольшее смещение вверх. Смещение центров зон пропорционально углам прицеливания оружия для имитируемых дальностей. Объектив 3 оборачивает изображение ДОЭ и в пространстве цели строится пятно лазерного излучения, в котором зоны распределены по плотности мощности излучения таким образом, что плотность мощности увеличивается со смещением вниз по вертикали.
i
Период штрихов Т и ширина штрихов d в зонах ДОЭ удовлетворяют следующим условиям:
,
min
где λ - минимальная рабочая длина волны лазера;
ϕ - апертурный угол объектива.
,
i
где d - ширина штрихов с минимальным пропусканием в i-й зоне;
i
τ - коэффициент пропускания в i-й зоне;
Т - период штрихов ДОЭ.
вых
Устройство работает следующим образом. Излучение лазера 1, проходя ДОЭ 2, разлагается в угловой спектр на ряд дифракционных порядков. Излучение нулевого порядка с интенсивностью I распространяется вдоль оптической оси и регистрируется фотоприемным устройством 4, а первый и последующие дифракционные порядки распространяются под углами к оптической оси и отсекаются оправой объектива 3.
Для компенсации ввода угла прицеливания на максимальной дальности стрелок поднимает оружие и направляет на цель нижнюю зону транспаранта.
Технологически первый экземпляр ДОЭ изготавливается методом прямой лазерной записи на фотоплоттере, например, типа SLWS-300. Последующие экземпляры ДОЭ изготавливаются путем копирования фотошаблона. По сравнению с прототипом, в котором каждый транспарант изготавливают самостоятельно и он сильно зависит от «человеческого» фактора, изготовление транспаранта в виде ДОЭ значительно упрощено. Обеспечивается высокий выход годных ДОЭ за счет хорошей повторяемости параметров ДОЭ.
На основе ДОЭ возможно исполнение транспаранта с большим количеством зон с плавным изменением коэффициентов пропускания, что обеспечивает плавную зависимость плотности мощности излучения от угла расходимости луча, точное и повторяемое, т.е. стабильное от образца к образцу распределение плотности мощности излучения в пятне. Меньшая дискретность пропускания транспаранта позволяет имитировать меньшую дискретность изменения дальности, что повышает точность имитации. В устройстве может использоваться полупроводниковый или твердотельный лазер, но практически предпочтителен полупроводниковый лазер.
мин
1
По предложенному техническому решению изготовлен экспериментальный образец лазерного имитатора стрельбы. ДОЭ изготовлены термохимическим методом прямой лазерной записи с помощью прецизионной записывающей системы CLWS - 300АЕ. Для записи использовались стандартные пластины фотошаблонов с нанесенной пленкой хрома. Использовался объектив, имеющий фокусное расстояние 76 мм, диаметр 22 мм. Апертурный угол объектива ϕ=0,287 рад. Минимальная длина волны излучения лазера с учетом технологического и температурного разброса значений λ=0,895 мкм. Ширина штрихов ДОЭ в первой зоне d=2,45 мкм. Получено более плавное, чем в прототипе, распределение коэффициента пропускания в зонах транспаранта.
Таким образом, изобретение позволяет повысить технологичность имитатора стрельбы и точность имитации стрельбы.