Лазерный имитатор стрельбы Российский патент 2017 года по МПК F41G3/26 

Описание патента на изобретение RU2635901C1

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).

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 r1<r2<…<rN и коэффициентами пропускания в зонах τ12i….>τN. 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.

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 r1<r2<…<rN и коэффициентами пропускания в зонах τ12i…>τN, 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

,

где di - ширина штрихов с минимальным пропусканием в i-й зоне;

τi - коэффициент пропускания в i-й зоне;

Т - период штрихов ДОЭ,

,

где λmin - 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.

Световой поток, проходя через ДОЭ, разлагается в угловой спектр на ряд дифракционных порядков. Нулевой порядок с интенсивностью Iвых не изменяет направления распространения, а первый и последующие дифракционные порядки с интенсивностью Iк распространяются под углами к оптической оси (см., например, Кухлинг X. Справочник по физике. - М.: Мир, 1982. с. 292)

где αк - 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

,

где λмин - 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.

ДОЭ 2 имеет четыре зоны с размерами зон r1<r2<r3<r4 и коэффициентами пропускания в зонах τ1234. Центры зон смещены по вертикали. Зона ДОЭ с размером r4 и коэффициентом пропускания τ4 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.

Период штрихов Т и ширина штрихов di в зонах ДОЭ удовлетворяют следующим условиям:

,

где λmin - минимальная рабочая длина волны лазера;

ϕ - апертурный угол объектива.

,

где di - ширина штрихов с минимальным пропусканием в i-й зоне;

τi - коэффициент пропускания в i-й зоне;

Т - период штрихов ДОЭ.

Устройство работает следующим образом. Излучение лазера 1, проходя ДОЭ 2, разлагается в угловой спектр на ряд дифракционных порядков. Излучение нулевого порядка с интенсивностью Iвых 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.

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 λмин=0,895 мкм. Ширина штрихов ДОЭ в первой зоне d1=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.

Похожие патенты RU2635901C1

название год авторы номер документа
ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СТРЕЛЬБЫ 2013
  • Большаков Валерий Анатольевич
RU2522057C1
ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СТРЕЛЬБЫ И ПОРАЖЕНИЯ 2014
  • Большаков Валерий Анатольевич
RU2537872C1
ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СТРЕЛЬБЫ 2000
  • Большаков В.А.
  • Власова М.В.
RU2185586C1
ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СТРЕЛЬБЫ И ПОРАЖЕНИЯ 1986
  • Большаков В.А.
  • Большакова В.С.
  • Скивко Г.П.
RU2037767C1
ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СТРЕЛЬБЫ 2010
  • Большаков Валерий Анатольевич
  • Воронцов Сергей Юрьевич
  • Топорков Алексей Анатольевич
RU2468326C2
СПОСОБ ИМИТАЦИИ СТРЕЛЬБЫ 1985
  • Большаков В.А.
  • Скивко Г.П.
SU1828223A1
Лазерный тренажер для обучения стрельбе из стрелкового оружия 1990
  • Паринский Анатолий Яковлевич
  • Макарецкий Евгений Александрович
  • Хурхулу Юрий Семенович
  • Даев Евгений Александрович
  • Соколов Борис Михайлович
SU1784829A1
ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СТРЕЛЬБЫ 1999
  • Ильин Г.И.
  • Гильфанов И.Р.
RU2181473C2
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ПРИЦЕЛ И УСТРОЙСТВО ЗАПИСИ ГОЛОГРАММЫ ПРИЦЕЛЬНОГО ЗНАКА 2007
  • Маркин Владимир Васильевич
  • Ковалев Михаил Сергеевич
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Лушников Дмитрий Сергеевич
  • Николаев Александр Игоревич
  • Одиноков Сергей Борисович
RU2352890C1
КОМБИНИРОВАННЫЙ ПРИЦЕЛ-ПРИБОР НАВЕДЕНИЯ 2008
  • Синаторов Михаил Петрович
  • Лях Андрей Валерьевич
  • Батюшков Валентин Вениаминович
  • Тареев Анатолий Михайлович
  • Дмитрущенков Олег Анатольевич
  • Савчик Виктор Иванович
RU2375665C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 635 901 C1

Реферат патента 2017 года Лазерный имитатор стрельбы

Изобретение относится к лазерным учебно-тренировочным средствам и может быть использовано для имитации стрельбы из стрелкового оружия. Лазерный имитатор стрельбы содержит оптически связанные лазер, транспарант и объектив. Транспарант установлен в фокальной плоскости объектива и имеет N зон, где N - не менее 2, с размерами r1<r2<…<rN и с коэффициентами пропускания в зонах τ12i…>τN, центры указанных зон совмещены или смещены относительно друг друга по вертикали. Транспарант выполнен в виде дифракционного оптического элемента (ДОЭ) с чередованием штрихов с максимальным и минимальным пропусканием. При этом параметры штрихов удовлетворяют условиям ,

где di - ширина штрихов с минимальным пропусканием в i-й зоне;

τi - коэффициент пропускания в i-й зоне;

Т - период штрихов ДОЭ,

,

где λmin - минимальная рабочая длина волны лазера;

ϕ - апертурный угол объектива.

Обеспечивается повышение технологичности имитатора и повышение точности имитации стрельбы. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 635 901 C1

Лазерный имитатор стрельбы, содержащий оптически связанные лазер, транспарант и объектив, транспарант установлен в фокальной плоскости объектива, причем транспарант имеет N зон, где N - не менее 2, с размерами r1<r2<…<rN и с коэффициентами пропускания в зонах τ12i…>τN, при этом центры указанных зон совмещены или смещены относительно друг друга по вертикали, отличающийся тем, что транспарант выполнен в виде дифракционного оптического элемента (ДОЭ) с чередованием штрихов с максимальным и минимальным пропусканием, при этом выполняются условия

где di - ширина штрихов с минимальным пропусканием в i-й зоне;

τi - коэффициент пропускания в i-й зоне;

Т - период штрихов ДОЭ,

T=λmin/ϕ,

где λmin - минимальная рабочая длина волны лазера;

ϕ - апертурный угол объектива.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2635901C1

ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СТРЕЛЬБЫ И ПОРАЖЕНИЯ 2014
  • Большаков Валерий Анатольевич
RU2537872C1
Кормовая оконечность траулера 1980
  • Сапрунов Геннадий Юрьевич
  • Соловей Арон Ильич
  • Морозов Лев Александрович
  • Хасин Авраам Аронович
SU893704A1
ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СТРЕЛЬБЫ 2010
  • Большаков Валерий Анатольевич
  • Воронцов Сергей Юрьевич
  • Топорков Алексей Анатольевич
RU2468326C2
Устройство для закрепления лыж на раме мотоциклов и велосипедов взамен переднего колеса 1924
  • Шапошников Н.П.
SU2015A1

RU 2 635 901 C1

Авторы

Большаков Валерий Анатольевич

Никаноров Николай Юрьевич

Даты

2017-11-16Публикация

2016-07-12Подача