轻型武器的激光瞄准系统

本发明所属技术领域

本发明涉及军事练设备，特别是涉及在战斗演习中战士使用的步 枪自动调准激光发射器的系统。

多年来，美国的武装部队以多种综合激光交战系统(MILES)训练 部队。激光轻型武器发射器(SAT)被固定在如M16的步枪的枪干上。 每个战士在头盔上和适于检测激光“子弹”击中的背带上携带检测器。 战士扣动步枪扳机向瞄准的对象发射空弹以模拟实际开火，并且声频传 感器触发轻型武器发射器。

必须调准轻型武器发射器，以便一旦战士在常规步枪瞄准器中将目 标定位，就能准确地击中目标。在过去较早形式的轻型武器发射器是用 螺栓固定在步枪枪干上，而且武器的机械瞄准具被调整与激光束调准。 这种方法的缺点是机械武器瞄准器必须重新调整，以便使用具有真子弹 (live rounds)的步枪。为了克服这个缺点，现用的常规轻型武器发射器安 装了机械联动装置，用于改变激光的取向。

由美国部队用于常规综合激光交战系统的轻型武器发射器瞄准的现 有技术的轻型武器瞄准定位器(SAAF)由与三十五块印刷电路板相连的一 百四十四个检测器的复合阵列组成，用以根据目标标线确定该激光击中 目标的位置。使用现有技术轻型武器瞄准定位器的困难在于战士把武器 瞄准位于二十五米远的阵列而不使用稳定的平台。在许多情况下，战士 以导致瞄准点不在所希望位置的方式开火。该阵列位于离开战士二十五 米远的情况导致由于雪、雾、风和在日出时或黄昏时光线条件差引起的 可见度的限制。现有技术轻型武器瞄准定位器的方位和仰角二者错误“扣 击”(click)的数量。然后使用四组电子-机械显示指示器在现有技术的轻 型武器瞄准定位器上显示扣击数。然后战士必须在正确方向上转动他的 常规轻型武器发射器的调整器，并计算相应的扣击数。然后必须使武器瞄 准和开火并且进行另外的相应调整。重复继续这个过程直到该战士在现 有技术的SASF上得到零指示为止。这是一个很费时的和使人厌烦的过 程，由于每次战士必须再次获取目标标线(reficle)时就会出现正常的瞄准 误差。一个战士用了十五分钟时间调准其武器到其最佳状态但是仍然没 有使它准确地调准是常有的现象。

使用现有技术轻型武器瞄准定位器调准过程不仅费时而且昂贵，因 为必须使用大量的空弹药。常规轻型武器发射器的激光在没有用于点火 的空包弹或使用专门的哑射发射索时不能开火。现有技术的轻型武器瞄 准定位器不支持光瞄准器和不同的轻型武器，也不支持夜视装置。现有 技术的轻型武器瞄准定位器也不能准确地检验激光束能量和接收的激光 束的编码。

因此，希望提供一种用小轻型武器的激光小型武器发射器而无须使用 大目标阵列的改进调准系统。这样的系统最好可以更快和更准确地自动 调整轻型武器发射器。另外，这样的系统最好只要求单个目标瞄准并适 用于不同的轻型武器，诸如自动武器和阻击手步枪等等。不仅这些轻型 武器具有不同的枪干，而且另外，它们的轻型武器发射器的激光输出具有 不同的功率和编码，使得综合激光交战系统系统的manworn部分能区别 由不同的轻型武器进行的射击。

本发明的目的

因此，本发明的主要目的是提供多个综合激光交战系统中使用的改 进的轻型武器调准系统。 本发明的技术方案

本发明提供了一个系统，用于对安装在轻型武器上的激光发射器的 自动校靶瞄准的调准。激光发射器具有可加能的激光器，以便发射激光束 并在方位及仰角上可调整以便控制该激光束。该调准系统包括一个底座 装置，该底座装置具有安装在该底座装置上的第一光组件，用于产生用 户可视的目标标线的图象。安装在该底座装置的武器支架使使用者能够 调整该武器的方位和仰角，从而使该武器瞄准目标标线图象并保持该武 器在瞄准的位置。一个调准头可连接到该激光发射器，用于调整该发射 器以便在方位和仰角上控制该激光束。第二光组件安装在该底座装置， 用于接收激光束和用于产生代表激光束的接收位置和目标标线的图象之 间偏差的误差信号。控制电路连接到该调准头和第二光组件，用于给该 激光加能和利用误差信号调整激光发射器，以便控制激光束的方位和仰 角，直到该激光束基本与武器的校靶调准为止。

本发明的优选实施例提供了一个电子-机械定位器，它自动地调准 用螺栓固定在步枪枪干上的激光发射器，以便由战斗演习中的战士在随 后使用。一个矩形空腔壳体水平地定向而且一个绞链的端盖向上转动以 露出LCD(液晶显示)显示器和控制装置的键盘。滑动架从该壳体内的 底座装置水平地伸出。步枪的枪管支撑在装在该底座装置的武器座上， 而扳机保险或扳机容座(clip receptacle)安装在该架的夹具(vise)上。 该夹具具有用于调节武器的方位和仰角的旋钮，因此允许战士瞄准目标 标线的图象。光学装置安装在底座装置的前向部分并包括一个透镜及一 个光束分离器，该分离器可以允许激光发射器的红外光通过但是反射可 视光。照明的目标标线装在在激光束下面的光学装置内。光束分离器放 置在透镜的前面并且呈45°角以便通过透镜投射目标标线的图象。光学装 置的位置传感检测器接收激光束并产生代表激光束的接收位置和目标标 线的图象之间偏差的误差信号。控制装置的电路连接到调准头，该调准 头与用螺栓固定到步枪的激光发射器的后端机械地联接。该电路使得调 准头重复地触发激光发射器中的激光。利用误差信号，该电路使得调准 头独立地旋转激光发射器中的楔形棱镜，以便控制激光束的方位和仰 角，直到该激光束基本上与武器的瞄准线对齐。

附要的简要说明

结合阅读附图和下面的详细说明，更容易了解本发明的目的、优点 和特性，其中：

图1A是在自动播放机识别轻型武器激光调准系统的优选实施例中 战士用步枪瞄准的透视图；

图1B是具有部分剖开以便暴露图1A系统的细节的侧视图；

图2是图1A和图1B系统的显示板和控制装置的开关的放大正视 图；

图3是安装在图1A和图1B中所示步枪上的轻型武器发射器的放大 的部件分解视图；

图4是使用光学楔形物对激光束进行控制的图解表示；

图5A和5B是图1A和图1B系统的调准头的侧视和正视图；

图6是图1A和图1B系统的光学装置的透镜、光束分离器、目标标 线、和位置传感检测器的图解表示；

图7是图1A和图1B系统的总体方框图；以及

图8是图1A和图1B系统的控制装置的光输出功率和代码精度检验 电路的方框图。

本发明的最佳实施例

参见图1A和图1B，本发明的优选实施例提供了以10表示的一个 电子-机械系统，用于自动地调准固定在轻型武器14(诸如M16步枪) 的架上的激光发射器(轻型武器发射器)12，以便战斗演习中的战士在随后 使用。系统10包括一个矩形空心过渡壳体16，在使用时它是水平取向。 壳体16的可锁定铰链端盖18可向上转动以露出安装在其内部的控制装 置20。战士21通过壳体16内的武器14校靶。战士21佩带头盔21a和 装备激光检测器的背带21b，在随后的战斗演习中，激光检测器用于检 测“子弹”的击中与否。控制装置包括一个盒状外壳22(图2)，它具 有一个LCD显示器24。外壳22的膜片开关板的前面有一个小键盘。这 个开关板围绕着显示器24而且包括压力型开关26、28、30、32、 34、36、和38。

可收缩滑动架40可从安装在壳体16的底壁的底座装置42(图1B) 的后端水平地延伸。步枪14的枪管44牢固地由刚性三角武器座46的顶 部支持，武器座46的底座通过螺栓安全地装在底座装置42的中间部分。 步枪14的扳机保险(未示出)装在架40的夹具48中。夹具48有旋钮 50和52，分别人工调节步枪14的枪管44的方位和仰角。在步枪14装 在武器座46和夹具48上之后，战士21(图1A)瞄准投影在武器瞄准具 上的目标标线54(图6)的图象，如在下面详细地叙述的。

盒形的光学装置56(图1A和1B)牢固地装在底座装置42的前向 部分(图1B)。光学装置56包括一个凸透镜58(图6)和一个光束分 离器60。光束分离器60对于从激光发射器(轻型武器发射器)12(图 1)来的红外光是透明的，但反射可见光。目标标线54(图6)装在激 光束轴线下面的光学装置56内部。光束分离器60设置在透镜58的前部 并且成45°角，通过透镜58清晰地投射目标标线的图象V。光学装置56 中的位置传感检测器62接收激光束L2并产生代表激光束的接收位置与 目标标线的图象之间的偏差的误差信号。然后轻型武器发射器12被调 节，直到其激光束L2击中检测器62的中心为止。

控制装置20中的控制电路(图1)与调准头64连接，调准头与用 螺栓固定到步枪14的激光发射器(轻型武器发射器)12的后端机械地 联接。该控制电路使得调准头64重复地触发激光发射器12中的激光。 利用误差信号，控制电路使得调准头独立地转动激光发射器12中的一对 楔形棱镜66和68(图3)以控制激光束的方位和仰角，直到激光束基 本上与武器的枪管44的瞄准线调准为止。

系统10可用于所有美国军事规定的轻型武器和具有对新武器没有限 制适应性的机关枪的自动校靶调准。在由战士21用武器14进行了一次 初始校靶之后，系统的自动操作保证了轻型武器发射器12的快速(少于一 分钟)、准确、和一致的瞄准。使用瞄准夹具48保证武器14上的光学瞄 准具和夜视装置不会影响校靶过程。整个系统10在坚固的过渡壳体16 内是连续的，壳体16还用作阳光和恶劣天气的护罩。系统10在调准过 程期间不使用空弹，因此它可在任何地点使用，诸如在室内的桌上。

系统10的初始建立涉及三个简单的步骤，包括将电池装入控制装置 外壳22(图1)，激活BIT开关30(图2)，以及通过按下开关34选 择被调准的武器类型。显示器24将给予操作者有关下一步如何进行的合 适的文本消息和指示。一旦系统10准备好调准，战士21就按照显示器 24的指示调准他或她的武器。典型的顺序如下：

a)战士将调准头64固定到激光发射器(轻型武器发射器)12；

b)战士将他或她的武器放入瞄准夹具48中和前端武器座46上；

c)战士使用瞄准夹具方位与仰角调节钮50和52将武器瞄准光学 装置中可见到的照明目标标线54的图象；

d)战士按下进程开关28(图2)并按照显示器24上的指令操作。 响应显示器上的询问在适当时间按下开关34以选择武器类型；

e)战士逐渐后退并按下控制装置外壳22上的调准开关26；

f)战士等待显示器24上的“调准完成”指令，该指令将在一分钟 内出现；和

g)战士按照调准完成指令从该系统移走该武器。

在调准过程期间系统10遇到任何问题的情况下，如功率低，不正确 的激光编码或触发问题，该系统将通知战士武器的轻型武器发射器故障 需要更换。

系统10的整个操作以图7的方框图表示。武器14安装在具有固定 在轻型武器发射器12的调准头64的瞄准夹具48中。光学装置56包括 该武器所瞄准的照明的目标标线54。当调准开关26(图2)激活时， 控制装置20导致轻型武器发射器12重复地触发，同时监视轻型武器发 射器的开火LED(发光二极管)70(图3)指示器的正确操作。光学装置 56检测激光的位置并发送该数据到控制装置20，控制装置20又确定需 要的校正量。控制装置20又使调准头64对轻型武器发射器12进行必要 的调节。该过程实时地继续直到轻型武器发射器12准确地调准为止。控 制装置20还与光学装置56一起检查激光功率电平和激光码，并根据要 求进行激光轻武器发射器的调准。下面将更详细地讨论系统10的五个主 要的子组件。

光学装置56(图1B)是在校靶期间对战士21投射明亮的目标标 线54的组件，它还检测武器的激光束相对该标线片的位置。在较低光线 条件(如黄昏或黎明)期间，明亮的标线54帮助战士进行瞄准。图6表 示光学装置56的基本部件的操作。单个大凸透镜58使激光束对准并在 纵向位置传感器62上聚焦到一点，该点位于透镜58的焦点。当透镜58 的激光束的入射角度不垂直(没有对准)时，检测器62上的该点位置偏 移。检测器62被动地确定偏移量并发送误差信号到控制装置20。该检 测器最好是一个固态器件，如一个四线检测器(quad-detector)，或者 它可以是具有模拟输出的一个线性检测器。在激光束的路径内是光束分 离器60，它反射可见光但同时允许激光的红外线通过它。光束分离器60 以45°角支持着，以便当激光到来时，通过透镜投射目标标线54的图象。 瞄准目标标线54由可见光源(如LED72)照明和定位，使得投射的图象 是在位置传感检测器62的零点相同的光轴上。不要求光学装置56的现 场调节，而且系统10不必包括含除检测器62和用于照明目标标线54的 LED光源72之外的任何电子器件。

L型保护档板74(图1)通过螺栓牢固地固定到在该武器的枪管44 的末端和光学装置56之间的底座装置42。该挡板在固定步枪14在武器 座46和夹具48上时可以防止战士无意中以枪管44碰到光学装置的透镜 58。档板有一个金属屏76覆盖的通孔，它允许8毫米宽的激光束通过它 到达光学装置56。不希望有覆盖该孔的玻璃或一些其它的固体透明物， 因为它可能变脏，衰减激光束或者折射激光束，因而导致不准确。

调准头64(图5A和5B)是一个电子机械装置，经过电缆65连接 到轻型武器发射器12(图1A)并且按照控制装置20的指示自动地调节 轻型武器发射器的激光位置。调准头64包含一个电感线圈78(图5A)， 用于触发轻型武器发射器的激光，如果需要，可经过开关30(图2)转 发测试演习者识别(P1D)到轻型武器发射器。调准头64还有一个检测 器80，它监视轻型武器发射器的开火LED70以确定它的操作状态。在调 准头64内使用两个小型减速齿轮电机82和84(图5B)和一个相关的 偏心齿轮系86与87以便旋转在一对齿轮轴118和120上的非滑动联轴 器(未示出)。联轴器与轻型武器发射器调准轴106及108的两端配合。 调准头电机82和84在校靶过程期间由控制装置20驱动和控制，同时光 学装置56检测激光束并提供实时反馈到控制装置20。

激光发射器(轻型武器发射器)12(图3)包括一个外壳组件88， 外壳组件88具有构成其后端的一个可拆卸的盖组件90。激光二极管组 件92安装在外壳组件88内并由控制器板94上的电源电路供电，控制器 板94也安装在外壳组件88内。电源电路由装在后盖组件90内的感应开 关96启动对激光二级管组件92供电。感应开关由电感线圈78(图5A) 的能量驱动，电感线圈78叠放在外壳组件88(图3)上并与感应开关 96对齐。

轻型武器发射器外壳组件88(图3)的前端具有孔98和100。用 于检测空弹开火的音频检测器或光检测器放置在孔100中并且接到控制 器板94上的电路。允许来自激光二极管组件92的光束通过的透明窗口 102固定在另一个窗口98中。光学套环104放置在窗口102后面。光学 楔形物66和68可转动地支撑在窗口102后面，分别通过驱动轴106和 108独立地转动。这些轴的前端有齿轮106a和108a，用于分别啮合光学 楔形物66和68的带齿圆周部分。驱动轴106和108有轴承(例如110 和112)，驱动轴106和108的后端通过后盖组件90中的孔(未示出) 延伸，它们由O型环114和116封接。这两轴端由刚性凸缘90a保护，凸 缘90a从后盖组件90垂直地延伸。当调准头64(图5A和5B)联接到 激光发射器12的后盖组件90时，在调准头64的齿轮轴118和120(图 5B)上的非滑动联轴器与轴106和108的端部连接，提供到电机82和 84的驱动连接。

图4图解表示经过调准头64的电机82和84单独转动光学楔形物66 和68的激光束的控制情况。光学楔形物可用作光学系统中的光束控制元 件。在通过顶角θw的薄楔块中由射线或光束引起的最小偏移或折射近似 地以θd＝(n－1)θwq给出，式中n是折射系数。棱镜的“放大率”(Δ)以 棱镜曲光度测量，棱镜曲光度的定义为在离开该棱镜一米的距离处的折 射为1cm。因此，Δ＝100tan(θd)。通过在邻近点组合具有等曲光度(等 偏移)的两个楔形块，并且围绕在大约平行于它们相邻表面的法线的轴 单独地转动它们，可在窄锥体内围绕未偏移光束的路径在任何方向对通 过该组合的激光束B进行控制。这个锥体的曲率半径大约θd。顶角在楔 块制造过程中被控制在非常小的容限内。由于熔化-熔化系数(melt- to-melt index)容限的结果，标称地规定偏离角(波长的函数)。

偏离角的规定是基于假设输入光束垂直于该垂直面。当然，在其它 的输入角，偏离是不同的。为了确定相同输入方向但不同波长的偏离角， 等式为＝θd＝arcsin(n sinθw)－θw’，式中θd为偏离角，θw为楔块角，而θw’ 为在适当波长处的法线系数。光学楔形物可由各种材料(如合成石英玻 璃)制成，其形状和尺寸也可不同。

控制装置20(图1A)提供用户友好的LCD显示器24(图2)和 控制，连续地通知使用者有关武器的状态，并同时逐步地给出整个调准 过程的指示。控制装置20装在过渡壳体盖18内。当盖18处于提起的打 开位置时，LCD显示器24可以容易地读出。如上所述，控制装置20提 供光学和调准头装置56及64的所有活动的所有控制与监视。前膜片开 关板与其综合的4×20 LCD显示器24一起提供用户界面。开关的功能 叙述如下：

a)调准(ALIGN)(26)：这个开关在战士已经将武器的瞄准具瞄 准光学装置的目标标线之后，由战士启动。

b)进行(PROCEED)(28)：这个开关在战士希望移动到下一个调 准步骤或证实显示消息的任何时间被启动。

c)BIT(30)：这个开关在系统初始建立期间被启动以检验它的准备 状态。

d)PID LEARN(32)：这个开关用于将系统的测试PID送到轻型武 器发射器12，以便检验转换功能控制器。使用这个开关是任选的，并且 只在如果有带托架的武器能够接收其它PID的某个问题时才使用。

e)武器选择(34)：这个开关与两个箭头开关36和38结合用于选择 被调准的武器类型(M16A2，M2，M240等)。这个选择确定由该系 统检验的功率电平和代码。

f)箭头(36和38)：这些开关用于选择不同的武器类型。

瞄准夹具48(图1B)是在调准情况下用于保持武器14并用其瞄准 的一个稳定机构。它允许战士使用由瞄准方法引入的任何瞄准偏移进行 校靶和消除任何离开瞄准点的武器漂移。夹具48固定到滑动架40，滑 动架40缩进过渡壳体底座装置42以容纳不同的武器长度。瞄准夹具48 有方位和仰角调节旋钮50和52，允许战士准确地瞄准他的武器瞄准具， 调准目标标线54的图象。武器枪管44的前部分放置在过渡壳体底座装 置42上的过渡壳体16内的武器座46上。

系统10的主要部件综合到过渡壳体16内，在运输和操作时提供安 全和坚固的环境。壳体16还提供阳光和恶劣气候的防护，使得能在任何 希望的环境中完成调准过程。底座装置42固定在该壳体的底壁上。光学 装置56、武器座46、和滑动瞄准夹具架40连接到底座装置，对系统供 电的电池(未示出)装在底座装置42内。控制装置20固定到前盖18A 的内部。

图8是控制装置20的光输出功率和代码准确检验电路的方框图。编 码电路122经过串行数据总线124接到微计算机(未示出)。在激光束 路径中的光比特放大器126输出信号到编码的电子部件。

虽然我们已经叙述了自动演习者识别轻型武器激光调准系统，但是 对于本领域的技术人员而言，本发明可在安排和细节方面进行改变。因 此，我们发明提供的保护只限于权利要求提出的内容。