基于红外激光与光敏板液晶屏的炮类武器模拟训练装置及方法

本发明涉及一种用于炮类武器模拟训练的训练装置及训练方法，具体地说是采用了红外激光与光敏板液晶屏组合，进行炮类武器的动态场景模拟训练，属于武器模拟训练装备。

背景技术：

1、炮类武器训练通常涉及瞄准、跟踪、击发、弹着观察、偏差修正和训练评估等多个环节。传统实装或实弹训练对场地、安全保障、弹药消耗和组织条件要求较高，训练成本大，且不适合在室内、小型训练场或高频次教学环境中反复开展。因此，采用模拟训练装置对炮类武器射击过程进行替代训练，已成为降低训练成本、提高训练安全性和提升训练频次的重要方式。

2、现有模拟训练设备中，常见方案包括固定靶面激光打靶、投影显示训练场景、摄像机识别激光光斑以及单独设置光敏靶面等方式。上述方案虽然能够在一定程度上实现命中检测或训练反馈，但仍存在以下问题：固定靶面训练内容单一，难以显示运动目标、地形背景、弹着效果和动态训练提示；投影或显示屏方案虽然能够显示动态场景，但普通显示屏本身不能直接采集红外激光命中坐标；摄像机或ccd识别光斑的方式容易受到环境光、屏幕反光、显示画面亮度变化、摄像角度畸变和遮挡等因素影响，识别稳定性和实时性受到限制；单独光敏靶面虽然能够采集激光命中位置，但通常与动态显示画面结合不足，难以形成显示、采集、解算和评估一体化的训练闭环。

3、对于炮类武器模拟训练而言，仅仅得到一个屏幕命中点还不足以反映真实训练需求。炮类射击往往需要考虑虚拟射程、炮种、弹种、目标运动状态、飞行时延、弹着偏差和修正量等因素。如果模拟训练装置只输出简单的命中坐标或环数，就难以训练学员对目标提前量、弹着观察、偏差修正和综合射击效果的判断能力。因此，需要一种能够将红外激光命中检测、动态液晶屏目标显示和炮类弹着解算相结合的训练装置。

4、阵列式光敏板能够对入射红外激光进行光电检测，并输出对应的光敏坐标。若将阵列式光敏板与液晶显示屏的有效显示区域进行对应设置，并通过标定方式建立光敏坐标与屏幕显示坐标之间的映射关系，则可以在液晶屏显示动态训练场景的同时，直接采集红外激光命中位置，避免单纯依赖摄像机视觉识别带来的光照和反光干扰。在此基础上，再结合炮类弹着解算与评估，可以形成从瞄准击发、命中坐标采集、屏幕坐标转换、虚拟弹着生成到训练记录评估的完整训练流程。

5、因此，亟需一种适用于炮类武器训练的模拟训练装置及方法，使其能够在小场地、低成本和高安全性的条件下，实现液晶屏动态场景显示、红外激光命中坐标采集、炮类虚拟弹着解算和训练效果评估。

技术实现思路

1、针对现有炮类模拟训练设备中动态目标显示、红外激光命中坐标采集、炮类弹着解算和训练结果评估难以在同一训练系统内闭环完成的问题，本发明采用一种基于红外激光与光敏板液晶屏的炮类武器模拟训练装置及方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于红外激光与光敏板液晶屏的炮类武器模拟训练装置，是由炮类训练发射终端、光敏板液晶屏训练靶、标定模块、训练控制主机、弹着解算与评估模块和训练记录模块组成的。炮类训练发射终端与训练控制主机通信连接，光敏板液晶屏训练靶与训练控制主机通信连接，标定模块分别与光敏板液晶屏训练靶和训练控制主机连接，弹着解算与评估模块与训练控制主机连接，训练记录模块与训练控制主机连接。

4、炮类训练发射终端是由训练发射体、可调安装座、红外激光发射器、击发信号采集单元、方位角采集单元、高低角采集单元、身份编码单元和发射参数输入单元组成的。可调安装座设置在训练发射体的前端或瞄准基准轴线上，红外激光发射器固定在可调安装座上，并沿训练发射体的瞄准基准方向布置；可调安装座用于调节红外激光发射器的安装角度，使红外激光发射方向与训练发射体的瞄准基准方向保持一致。击发信号采集单元设置在训练发射体的击发操作部位；方位角采集单元和高低角采集单元设置在训练发射体的姿态采集位置；身份编码单元与红外激光发射器或训练控制主机连接；发射参数输入单元与训练控制主机通信连接。

5、光敏板液晶屏训练靶是由液晶显示屏、阵列式光敏板、安装框架、屏幕控制板、光敏采样电路以及红外透过保护层和红外导光层中的至少一种组成的。液晶显示屏固定在安装框架内并位于训练靶的显示侧，阵列式光敏板与液晶显示屏的有效显示区域对应设置，屏幕控制板与液晶显示屏连接，光敏采样电路与阵列式光敏板连接。进一步地，红外透过保护层设置在液晶显示屏的出光侧，阵列式光敏板设置在红外透过保护层内侧、液晶显示屏出光侧的对应接收位置或液晶显示屏背侧的对应接收位置；红外导光层设置在液晶显示屏的出光侧、边缘区域或保护层内，阵列式光敏板设置在红外导光层的边缘接收位置或背侧接收位置。

6、阵列式光敏板是由多个光敏接收单元排列形成的。进一步地，多个光敏接收单元按照行列矩阵、分区矩阵、条形扫描阵列、边缘导光接收阵列或上述方式的组合方式布置，多个光敏接收单元的接收区域与液晶显示屏的有效显示区域形成对应关系。红外激光照射至光敏板液晶屏训练靶时，红外激光经红外透过保护层或红外导光层进入阵列式光敏板的接收区域，阵列式光敏板中的相应光敏接收单元产生光敏信号。

7、光敏采样电路是由滤波电路、放大电路、比较电路、选通电路、模数转换电路和处理电路组成的。滤波电路与阵列式光敏板连接，放大电路与滤波电路连接，比较电路与放大电路连接，选通电路与多个光敏接收单元连接，模数转换电路与放大电路或比较电路连接，处理电路与选通电路和模数转换电路连接。

8、当单个光敏接收单元被触发时，处理电路以该光敏接收单元在阵列式光敏板中的行列位置、分区位置或扫描位置对应的坐标作为光敏坐标。当相邻多个光敏接收单元被触发时，处理电路根据相邻光敏接收单元的信号强度、峰值大小或触发时序进行加权计算，形成光敏坐标。处理电路还根据编码脉冲特征对有效红外激光信号进行识别，并将光敏坐标发送至训练控制主机。

9、标定模块是由标定图案生成单元、标定采集单元和映射参数生成单元组成的。标定图案生成单元与液晶显示屏连接，标定采集单元与光敏采样电路连接，映射参数生成单元与训练控制主机连接。标定图案生成单元控制液晶显示屏显示多个标定点、标定线或网格图案，标定采集单元接收阵列式光敏板采集到的对应光敏位置，映射参数生成单元根据标定图案在屏幕显示坐标系中的位置和对应光敏位置，建立光敏坐标系与屏幕显示坐标系之间的映射关系。

10、在更换液晶显示屏、调整阵列式光敏板安装位置、改变液晶显示屏显示分辨率、改变训练靶安装角度或重新安装光敏板液晶屏训练靶后，标定模块重新生成映射参数。

11、训练控制主机是由教员控制单元、目标场景生成单元、坐标转换单元、数据通信单元和反馈显示控制单元组成的。教员控制单元与目标场景生成单元连接，目标场景生成单元与屏幕控制板连接，坐标转换单元与标定模块和光敏采样电路连接，数据通信单元分别与炮类训练发射终端、光敏板液晶屏训练靶、弹着解算与评估模块和训练记录模块连接，反馈显示控制单元与屏幕控制板连接。

12、数据通信单元接收炮类训练发射终端输出的训练发射参数和击发信息，接收光敏采样电路输出的光敏坐标，接收标定模块输出的映射参数，并将屏幕命中坐标、训练发射参数和训练科目参数发送至弹着解算与评估模块。坐标转换单元根据标定模块生成的映射关系，将光敏采样电路输出的光敏坐标转换为液晶显示屏上的屏幕命中坐标。反馈显示控制单元根据弹着解算与评估模块输出的弹着反馈信息控制屏幕控制板更新液晶显示屏的显示画面。

13、弹着解算与评估模块是由虚拟射程设置单元、炮种弹种设置单元、目标运动设置单元、目标运动解算单元、飞行时延计算单元、弹着偏差计算单元、命中判定单元、修正提示单元和评分单元组成的。虚拟射程设置单元、炮种弹种设置单元和目标运动设置单元分别与训练控制主机连接，目标运动解算单元与目标运动设置单元和飞行时延计算单元连接，飞行时延计算单元与虚拟射程设置单元和炮种弹种设置单元连接，弹着偏差计算单元与坐标转换单元、目标运动解算单元和飞行时延计算单元连接，命中判定单元与弹着偏差计算单元连接，修正提示单元和评分单元分别与命中判定单元连接。

14、弹着解算与评估模块接收屏幕命中坐标、炮种、弹种、虚拟射程、目标运动方向、目标运动速度、装定提前量、环境修正参数和训练科目规则。飞行时延计算单元根据炮种、弹种和虚拟射程确定虚拟飞行时延；目标运动解算单元根据目标运动方向、目标运动速度和虚拟飞行时延确定目标在弹着时刻的预测位置；弹着偏差计算单元根据屏幕命中坐标、装定提前量和环境修正参数生成虚拟弹着点，并计算虚拟弹着点相对于目标预测位置的横向偏差和纵向偏差；命中判定单元根据横向偏差、纵向偏差和目标判定区域生成命中、近失或脱靶结果；修正提示单元根据横向偏差和纵向偏差生成方向修正提示；评分单元根据命中结果、偏差量、击发时机和训练科目规则生成训练评分。

15、训练记录模块是由人员信息记录单元、训练科目记录单元、击发数据记录单元、命中数据记录单元、评估数据记录单元和报告生成单元组成的。击发数据记录单元通过训练控制主机与炮类训练发射终端连接，命中数据记录单元与训练控制主机连接，评估数据记录单元通过训练控制主机或直接与弹着解算与评估模块连接，报告生成单元分别与人员信息记录单元、训练科目记录单元、击发数据记录单元、命中数据记录单元和评估数据记录单元连接。

16、本发明还提供一种基于红外激光与光敏板液晶屏的炮类武器模拟训练方法，该方法包括：

17、s1，进行训练设置，通过训练控制主机建立训练科目，并设置炮种、弹种、虚拟射程、目标类型、目标运动状态和评分规则；

18、s2，进行场景显示，通过液晶显示屏显示炮类训练场景、目标状态和训练提示；

19、s3，进行坐标标定，通过标定模块控制液晶显示屏显示标定图案，阵列式光敏板采集对应光敏位置，并建立阵列式光敏板的光敏坐标系与液晶显示屏的屏幕显示坐标系之间的映射关系；

20、s4，进行瞄准击发，训练人员操纵炮类训练发射终端进行瞄准和击发，红外激光发射器沿训练发射体的瞄准基准方向向光敏板液晶屏训练靶发射编码红外激光；

21、s5，进行光敏采集，阵列式光敏板接收入射红外激光并产生光敏信号，光敏采样电路对光敏信号进行滤波、放大、比较、选通和转换处理，形成光敏坐标；

22、s6，进行坐标转换，训练控制主机根据映射关系将光敏坐标转换为屏幕命中坐标；

23、s7，进行弹着解算，弹着解算与评估模块根据屏幕命中坐标、炮种、弹种、虚拟射程、目标运动状态、装定提前量和环境修正参数确定虚拟飞行时延、目标在弹着时刻的预测位置和虚拟弹着点；

24、s8，进行结果评估，弹着解算与评估模块根据虚拟弹着点与目标区域之间的位置关系生成命中结果、偏差方向、修正提示和训练评分；

25、s9，进行反馈记录，液晶显示屏显示弹着反馈，训练记录模块记录训练数据并生成训练报告。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：光敏板液晶屏训练靶将液晶显示屏的动态训练场景显示区域与阵列式光敏板的红外激光接收区域对应设置，能够在同一训练靶面上完成动态显示和光敏坐标采集；命中坐标由阵列式光敏板和光敏采样电路直接获得，不依赖摄像机、ccd 或视觉识别方式获取红外激光命中坐标，能够降低环境光、屏幕反光、遮挡和摄像角度变化对命中检测稳定性的影响；标定模块建立光敏坐标与屏幕显示坐标之间的映射关系，提高不同屏幕尺寸、不同安装位置和不同光敏板布置方式下的坐标一致性；弹着解算与评估模块将屏幕命中坐标进一步转换为炮类虚拟弹着点，并结合目标运动状态和虚拟飞行时延生成命中结果、修正提示和训练评分，使训练内容从普通激光打靶扩展到炮类武器的目标跟踪、弹着观察、偏差修正和训练评估。