无线激光射击系统建模与设计.doc

期刊: 南京师范大学(工学版)(LOGY). 2005-03-01 无线激光投靶机系统建模与设计 谢海燕,谢勇,韩敏奋,梁忠诚 (1.南京师范大学物理科学与技术学院.江苏南京;2.南京师范大学电气与自动化工程学院.江苏南京) [摘要] 无线激光投靶机采用信号编码与解码实现靶枪分离。即采用数字脉冲编码调制控制系统信号，将信息加载到光脉冲序列上进行传输。光信号在大气和光纤中传播，经过扫描解码过程被光电二极管探测阵列接收，转换成电信号，经放大整形后送入单片机进行处理。最后将处理后的数据通过IC卡传送到单片机进行计算、校正和仿真。此外，还对大气衰减系数、放大器放大能力、光电二极管接收灵敏度等参数进行了分析。 建立了整个无线激光打靶机光电系统的数学模型，根据光电系统的数学模型可以清楚的知道各个参数对整个系统性能的影响，以及各个参数之间的关系，可以计算出在一定条件下可以达到的射击距离，为以后整个系统的改进和优化提供理论依据。

[关键词] 无线激光靶，系统模型，优化设计[中图分类号] TN242，[文献标识码] B，[文章编号] 1672-1292-(2005)01-0068-,,,(1..(ien(?),'~,,,China;2.ng.,ersit~。。China):,ofde,'。

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:. .引言普通的激光打靶装置存在以下缺点：（1）靶与枪之间采用控制线连接，携带不方便，且射击距离受控制线长度限制；（2）光电探测管直接按一定图案排列在靶面，易受背景光影响，同时光电管尾端需接较长导线，易受噪声干扰；（3）实际射击现场一般不考虑风速、风向对子弹的影响，数据不能准确反映射击结果；（4）射击结果没有存储。为了克服这些缺点，对现有的激光打靶装置结构进行优化，设计开发了一种新型无线激光打靶装置。本文从其系统建模、软件设计入手。收稿日期：2004-08-05。资助项目：江苏省光电技术重点实验室开放基金项目（）和江苏省高校自然科学基金项目（）。 作者简介：谢海燕(1980-)，女，硕士研究生，主要从事光电子技术及系统方面的学习与研究。E-mail：一80@sina.eonl通讯联系人：**程(1958-)激光射击器 原理，教授，博士生导师。主要从事光电子技术及系统方面的教学与研究。E-mail：@68—谢海燕等：详细介绍了无线激光打靶系统的建模与设计。

工作原理激光打靶机是集光学、电子学、计算机和信息处理于一体的光电系统。整个系统由信号传输系统、信号接收系统、数据处理系统三个子系统组成。在传输系统中，信号经过数字脉冲调制后转换成电信号，驱动半导体激光器发射载有信息的光脉冲序列，通过传输介质——大气到达接收系统。接收系统中的光学系统首先将光信号采集并送至光电探测器，将光信号转换成电信号，对电信号进行分析处理，通过IC卡将数据传输给微机。微机对数据进行记录、解调、计算和校正，得到所需要的信息和射击结果。系统设计2.1信号传输系统整个传输系统就是一把激光枪，为了实现靶枪分离，同时接收系统能实时跟踪传输系统的运行，就要求传输系统中的控制信号必须随激光束一起传送到接收系统。 因此我们对控制信号进行了数字脉冲调制，发射系统电路框图如图1所示。整个发射系统由控制按钮、单片机、1个控制按钮组成，控制发射方式。按钮1为扳机，其他按钮对应单发或连发，模拟枪型及发射子弹数量。启动后P1.7端口处于连续检测状态，当按下扳机时，P1.7检测到电平跳变，触发单片机，读取P1口所有信号，内部处理后通过P2口送到移位寄存器。

移位寄存器在P3.0和P3.1的控制下，将并行信号转换成串行的24位数字信号送到驱动电路，驱动半导体激光管发射载有信息的光脉冲序列。我们采用波长为650nm、功率为10mw的半导体激光器作为发射系统的光源。激光器前端是可调准直透镜，可根据射击距离进行调节，使射到靶面上的光束形成一定大小的圆形光斑。2.2信号接收系统传统的激光打靶装置的靶面直接将光电二极管排列成矩形或圆形，容易受到背景光的干扰。我们采用直径为2mm的聚合物光纤束端面代替传统靶面中的光电二极管，通过光纤将光传输到相应的硅光电二极管(2CU型)上，使其与信号处理系统融为一体，减少了因引线较长而带来的电磁干扰。 同时利用光纤有限的径向角度抑制漫射光和背景光，提高系统抗干扰能力。另外光纤束的排列方式形成正六边形，如图2所示。这种排列方式配合我们设计的信号处理移位寄存器，半导体激光管及其驱动电路使用，大大提高了射手的弹着点分辨力。要确定弹着点的准确位置，必须确定哪个管子接收到信号。因此，我们把光电二极管按一定的规律排列成多排线阵列，每个光电二极管由MOS管和P3.

当移位寄存器在某一时序产生高电平时，相应的MOS管导通，把光电二极管的信号取出来，经过低噪声运算放大电路、比较电路送到单片机的接收端。同时我们让单片机的接收端一直处于检测状态，只要接收端检测到高电平，就认为有传输，开始记录和数据处理。图3是接收系统接收靶面示意图。另外考虑到远距离射击时射手的轻微晃动都会对接收系统的接收产生很大的影响。要减少这种影响，就必须尽可能缩短接收时间。为此我们采用线阵方式，列、行同时工作，这样接收时间缩短为原来的1/N，大大提高了时间分辨率。 在发射和接收系统中，为了使硬件系统能很好地完成光信号的发射、检测、接收和存储，还必须辅以相应的软件程序。图4为扫描程序的软件流程图，通过此程序可以取出24位信号，记录相应的接收管位置，显示拍摄结果。另外，为了消除抖动，还需要进行延时检测。扫描程序软件流程图2.3数据处理系统数据处理系统主要由4部分组成。（1）环数确定部分。通过扫描过程，找到光斑覆盖到的所有检测点，再根据对应的位置坐标，用求平均值的方法确定落点中心位置，最后根据预先设定的“位置-环数”对应表得到环数。

（2）信息还原部分。接收系统必须能精确地还原24位数字信号。让扫描电路进行24次扫描，逐位还原。在每次扫描中，只要有任意一个管有信号输出，该位就是“1”，否则就是“0”。 （3）数据存储部分。接收系统取出信号后，进行分析处理，以数据的形式暂存到单片机中。单片机和微机分别连接一个IC卡读写器，通过IC卡将数据进行存储。 （4）数据再现部分。数据存入微机后，利用微机强大的仿真功能，配合特定的软件，模拟射击场景，在屏幕上再现射击过程，并能将每次射击的情况合成为画面，更好地帮助射击者了解和分析自己的射击情况。另外，考虑到实弹射击时重力、风速、风向的影响，可以通过微机对弹道进行修正，使结果更加逼真。 影响拍摄距离的因素设LD发射的总光通量为（f），光功率分布均匀，当距离为 时，经大气传输后在目标表面形成的光斑面积为S=1T(Ltan0)= ，每个接收光纤端面的面积为S，根据朗伯定律可知每个接收光纤端面接收到的光通量为：?@oexp[一() 光在光纤中传输时按指数规律衰减，损耗系数为 ，光纤长度为 ，另外，光纤端面的接收系数为 。 当光从光纤耦合进入光电二极管时，光电二极管的接收系数为，感光面面积为S，单个光电二极管感光面上最终可接收的光通量为：谢海燕等：无线激光打靶系统建模与设计_(SC~oexp[-aRLc]exp[一卢]77.77