引 言

關(guān)于追捕驅(qū)車在逃犯罪嫌疑人的問題十分棘手，由于在對其追捕過程中對周圍環(huán)境及群眾的傷害和追捕力度難以控制，因此設計和制作簡單、有效、殺傷力和破壞力小的新式追捕器械非常必要。激光器目前在軍事和生活方面已被廣泛應用，如舞臺燈，激光致盲武器等，均有效利用了激光準直性好、光強衰減弱等特性 [1]。

借助激光的上述特性，利用幾何光學原理，使用單片機進行控制，設計并制作了一套激光壓制追捕系統(tǒng)。依據(jù)激光對人眼的損傷特性，選擇YAG 激光器，激光器發(fā)射出激光后， 經(jīng)過擴束使激光束在保持有效殺傷強度的同時盡可能得到較寬的光束，使其擁有更廣的覆蓋范圍，通過ARM-STM32 微控制器控制激光打靶使之精準照射到在逃車輛后視鏡上，隨后光束反射到在逃嫌疑人員眼中，并使嫌疑人產(chǎn)生短暫失明或眩暈，導致其喪失駕駛能力，迫使嫌疑人停車，以達到追捕目的[2]。該系統(tǒng)體積小、車載攜帶方便、成本低，在保證追捕準確性的同時，對周圍事物造成的傷害很小，在反恐和治安方面具有較好的現(xiàn)實意義和實際應用價值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理

圖 1 所示為系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)和原理總框圖。該激光壓制追捕系統(tǒng)基于STM32F407 單片機，采用模塊化設計思想，由激光器模塊、擴束模塊、控制 / 微處理器模塊、電源模塊等構(gòu)成。

控制系統(tǒng)通過 5 V 直流電源對控制電路供電，使用車載電源對激光器供電。激光器通電后發(fā)射激光，并由擴束裝置對激光進行擴束，通過微控制器調(diào)節(jié)激光強度，微處理器通過步進電機、PWM 調(diào)制等對激光器進行打靶定位調(diào)整控制， 從而保證激光打靶覆蓋范圍，提高準確度。

STM32 單片機位于系統(tǒng)后端，銜接步進電機對激光器進行打靶控制，同時激光器最前端安置另一個步進電機，以進行閃爍頻率控制。

設計中對各零部件的選取參數(shù)如下：

(1) 微 處 理 器： 采 用 意 法 半 導 體 公 司 生 產(chǎn) 的STM32F407 ；

(2) 步進電機 ：采用一諾微特電機有限公司生產(chǎn)的24BYJ48 永磁式步進電機；

(3) 激光器：采用寬束激光器。其輸出波長為（53210）nm，輸出功率為 200 mW，工作電壓為直流 30 V，工作電流在300 ～450 mA 之間；

(4) 擴束器 ：采用 6倍伽利略式擴束裝置。

2 激光器及其對人眼損傷特性

2.1 激光器應用- 激光武器

激光武器作為當今一種新型武器，大多數(shù)國家對其都投入了很大精力去開發(fā)和研究，且已取得重大進展。低功率激光武器裝備已在部隊投入使用，高功率激光武器在理論層面已相對成熟，但尚未大規(guī)模投入使用，正待進一步開發(fā)研究。激光武器將在未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中扮演重要角色。目前具有強殺傷性的高功率強激光武器，利用激光束的高相干性和低衰減性可以直接摧毀打靶目標的電子元器件乃至機械部分，如導彈、衛(wèi)星等[3]。

激光致盲武器是用相當能量的激光，對人眼或軍用光電設備實施軟殺傷，使其喪失作戰(zhàn)能力。激光致盲武器以激光器為中心，配以偵察告警定位裝置、精密瞄準跟蹤裝置，屬于戰(zhàn)術(shù)激光武器范疇[4,5]，而用于反恐和治安方面的激光武器尚未見過報道。

2.2 激光對人眼的損傷分析

人眼的成像系統(tǒng)類比于透鏡的成像系統(tǒng)。人眼是由角膜、房水、晶狀體、玻璃體等共同構(gòu)成的屈光系統(tǒng)，可以將光線匯聚后在視網(wǎng)膜成像。激光通過瞳孔，經(jīng)屈光介質(zhì)的聚焦作用后，在視網(wǎng)膜上聚焦成一個直徑為 5 ～50 pm 的實像，其在視網(wǎng)膜上的輻照功率密度或者能量密度相比角膜處將增加 1 000 倍以上 [6]。眼睛受激光照射后形成的最小可見損傷稱為閾損傷，引起閾損傷的激光劑量值為損傷閾值 [7]。不同功率、頻率、激發(fā)材料的激光器發(fā)射出的激光對人眼造成的傷害不同，具體參見表 1。因此利用激光波長和功率特性，選取能對人眼產(chǎn)生明顯效果，但又不會對人眼造成徹底大規(guī)模殺傷的激光器， 便可達到追捕目的。

2.3 實驗結(jié)果

由于之前的學者對此方面的研究較少，且對于人眼損傷的實際驗證存在一定難度。因此我們只對激光的覆蓋范圍與打靶精確度進行了實驗驗證。實際的損傷分析只對激光強度進行測量，應用文章中的激光器和擴束鏡參數(shù)，選取的檢測距離為 100m。實驗結(jié)果表明，激光覆蓋范圍可形成直徑約8cm的光斑，激光強度衰減為激光器出射強度的 1/3左右， 數(shù)據(jù)符合預期要求。

3 硬件設計

3.1 微控制模塊

3.1.1 微控制器選擇

STM32系列芯片是一款高性能、低功耗、高性價比的微控制芯片，在應用開發(fā)模擬方面應用廣泛。ARM-Cortex-M3 內(nèi)核是STM32F103增強型 系列，時鐘頻率達到 72MHz， 與其他微控制芯片相比頻率較高，具有很大優(yōu)勢；較為低端的基本型時鐘頻率為 36MHz，價格低廉，基本與 16位芯片價格持平。因此，目前 STM32芯片也是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。STM32F4系列單片機內(nèi)置 32～128K的閃存，不同于F1 系列的是SRAM最大容量和外設接口的組合。當時鐘頻率達72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗為 36mA，是 32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，約為 0.5mA/MHz[8,9]。而同系列產(chǎn)品STM32F407是 Cortex-M4最高的 168M主頻帶 DSP，外圍設備的擴充量明顯增強，GPIO 的功能選擇和精度都有很大提高。因此，為提高設備精度，選用STM32F407 作為主芯片。

3.1.2 PWM調(diào)制

利用STM32 的IO 口直接輸出方波，通過其內(nèi)部時鐘控制占空比，即控制 T1，T2輸出的時間，從而控制打靶定位模塊。輸出的方波如圖 2 所示，T1代表高電平持續(xù)時間，T2代表低電平持續(xù)時間。在實際使用過程中，高電平時步進電機轉(zhuǎn)動，低電平時步進電機停止，調(diào)整 T1，T2的持續(xù)時間比例，便可以控制其單位時間轉(zhuǎn)數(shù)。

3.1.3 打靶控制模塊

打靶控制模塊由STM32單片機控制，采取 PWM調(diào)制控制步進電機，進而控制激光器打靶范圍以及光束閃爍頻率。圖3所示為該系統(tǒng)的俯視圖，光路為該系統(tǒng)可覆蓋的打靶范圍， 激光器可水平轉(zhuǎn)動，以準確定位嫌疑人眼睛的位置，進行激光打靶。

圖 3 激光器打靶控制圖

3.1.4 激光閃爍及頻率控制模塊

激光閃爍頻率控制采取擋板式，如圖 4 所示。將A，B 部分挖空，將擋板置于步進電機上，通過控制擋板實現(xiàn)激光閃爍，其閃爍頻率通過步進電機每秒的轉(zhuǎn)數(shù) n 控制，即激光的閃爍頻率 f=2n。

圖 4 圓形擋板

3.2 激光擴束模塊

激光擴束模塊通過固定的擴束裝置將激光光束直徑呈倍數(shù)擴大，其擴大倍數(shù)由內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定，可將光束直徑 50 mm的激光擴束 4 倍，成為直徑 200 mm 的激光光束。其目的是增大激光覆蓋范圍，從而更好地利用激光。目前的擴束鏡原理為折射式或反射式。折射式擴束鏡通過光線投射原理和聚焦、發(fā)散等基本知識，使射入的平行光發(fā)散，而經(jīng)擴束后射出的光線也為平行光。其應用的透鏡與擴束倍數(shù)一般是固定的， 因此，在應用該類擴束鏡時，通常要先計算好擴束比例。當變化比較大時，反射式擴束鏡各組中的鏡片數(shù)量多，工作時易形成激光相干噪聲或衍射散斑條紋，從而影響擴束的均勻性[10]。同時又因為激光具有很好的相干性，所以在設計擴束鏡時盡量選取較少的透鏡和最短的光路，以保證光線之間不會因發(fā)生干涉導致能量衰減或損耗，因此本設計采用的透鏡數(shù)量較少[11]。

激光擴束原理大致分為兩種，即開普勒式和伽利略式， 如圖 5，圖 6 所示。開普勒式擴束鏡為兩凸透鏡，光束先經(jīng)第一凸透鏡將光束匯聚至第二凸透鏡焦距處，后經(jīng)第二凸透鏡將其發(fā)散為平行光，其擴束倍數(shù)為 a=f2/f1 ；伽利略式擴束鏡為一凹透鏡一凸透鏡，光束先經(jīng)第一凹透鏡將光束匯聚至其虛焦距處，該虛焦距位置與第二凸透鏡焦距位置重合，后經(jīng)第二凸透鏡將其匯聚為平行光，其擴束倍數(shù)為 a=f2/f1。

圖 5開普勒式擴束鏡原理

圖 6伽利略式擴束鏡原理

由于伽利略式擴束可以使本系統(tǒng)的尺寸更加精簡，所以本設計選取伽利略式擴束系統(tǒng)。

3.3 結(jié)構(gòu)/成品圖

本系統(tǒng)共分為 5 個模塊，其結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。

產(chǎn)品實物如圖 8 所示。將系統(tǒng)置于一長為 20 cm，直徑 約 3.5 cm 的圓形筒內(nèi)，便于攜帶。裝置手持端有四個按鈕， 分別是開關(guān)、閃爍頻率 +、閃爍頻率－、打靶方位調(diào)整，可由 手持者通過大拇指控制，簡單易操作。

圖 8 成品圖

4 結(jié) 語

本文設計并制作了一款新型追捕驅(qū)車逃犯的激光壓制系統(tǒng)。采用目前應用廣泛的激光器，使用廣泛應用于智能系統(tǒng)的STM32 芯片進行控制，在追捕上不僅能達到對犯罪嫌疑人的軟控制，還能保障追捕過程中其余無辜群眾的安全，具有體積小、便于攜帶、操作簡便等優(yōu)點，擁有良好的社會效益。