基于超聲傳感器的自動(dòng)報靶系統設計與實(shí)現

摘要：文章結合惠更斯原理的子波思想提出一種超聲傳感器報靶系統，當子彈穿過(guò)靶標時(shí)，彈頭波在其脈沖壓力作用下通過(guò)空氣介質(zhì)向四周傳播，直至遇上微孔管，部分激波通過(guò)微孔管到達傳感器。接收信號采用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，通過(guò)解析各個(gè)傳感器的時(shí)差值來(lái)計算彈丸位置，以此實(shí)現彈著(zhù)點(diǎn)自動(dòng)報靶的系統。本系統對射擊瞄準點(diǎn)指示物無(wú)特定要求，結構簡(jiǎn)單、定位精度高、不受外界環(huán)境影響，通過(guò)孔式傳感器和幕布的方式解決多位無(wú)干擾和連發(fā)的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：靶標；傳感器；幕布；指向性

0 引言
為了更好、更高效地訓練槍械持有者的射擊技能，解決傳統訓練設備技術(shù)落后、效率低等問(wèn)題，更好地適應高效、通用、科學(xué)的訓練形勢，發(fā)展與之相適應的新的現代化訓練設備迫在眉睫?，F有大多數自動(dòng)報靶定位裝置的靶標皆為有形靶標。多數采用封閉式聲空腔結構，采用前后封閉靶板，對前后封閉靶板受彈數有一定的技術(shù)要求，1cm2多者8發(fā)、少者4發(fā)前后靶板就要修補。因而靶標的使用壽命低，更換修補次數多。另外，現有技術(shù)中的定位方法是利用彈丸的彈頭波到達靶面上的不同傳感器所產(chǎn)生的時(shí)間差，確定彈丸在靶面上的坐標。雖能較好解決彈丸精確定位，但是不能解決連發(fā)問(wèn)題。因此，現有的聲電定位裝置存在以上缺陷，而且適用范圍也有一定的局限性。針對現有技術(shù)的上述不足，提出一種敞開(kāi)形超聲傳感器的報靶系統，其結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、無(wú)耗材并且野外布設、便攜、射擊瞄準指示物材料無(wú)特定要求，定位精度高，能解決彈丸單、連發(fā)精確定位問(wèn)題。是一種能很好適用于野外實(shí)彈連發(fā)射擊訓練、演習、戰場(chǎng)殺傷破壞評估中彈丸定位及自動(dòng)報靶的聲電定位裝置。

1 聲電定位原理
聲電定位的主要優(yōu)點(diǎn)在于測量精度高，工作與光照條件無(wú)關(guān)，可以全天候工作。
對裝于“口”型布陣靶框內側的聲學(xué)傳感器來(lái)說(shuō)，槍械類(lèi)型和射擊距離不同，其探測到的傳感器信號不同，波形也會(huì )有所不同。在一個(gè)矩形木質(zhì)框架上裝入若干個(gè)聲電傳感器，當彈頭從框架內穿過(guò)時(shí)，沖擊框架內的空氣使之產(chǎn)生擾動(dòng)，形成一個(gè)沖擊波向周?chē)鷶U散(彈頭穿過(guò)點(diǎn)即為波源)，離波源最近的傳感器最先捕捉到該波，啟動(dòng)檢靶儀開(kāi)始計時(shí)，其余各傳感器依次接收到該波，這樣就獲得若干個(gè)時(shí)間差，通過(guò)這些時(shí)間差及彈頭速度(波速)，進(jìn)行運算處理，就可以確定波源位置，即彈頭穿過(guò)位置。把這個(gè)框架作為射擊靶，就可以確定彈頭在靶子上的彈著(zhù)點(diǎn)。其原理圖如圖1所示。

2 系統組成
系統由靶標、檢靶儀、終端無(wú)線(xiàn)分機等組成。靶標由傳感器、靶框、聲學(xué)空腔組成，靶標采用木制薄框，附加2mm厚防彈鋼板，最外層是特制靶板；如果裝在靶車(chē)上可以無(wú)線(xiàn)遙控，實(shí)現前后移動(dòng)，滿(mǎn)足7m、15m、25m打靶的需要，靶標可以90°左右轉動(dòng)和90°上下翻轉。終端無(wú)線(xiàn)分機由語(yǔ)音及換射手開(kāi)關(guān)、工控主板、通訊模塊、數據處理器、機箱、電源等組成，便攜靶機通過(guò)天線(xiàn)接收前端的數據信號，攜帶方便，可以實(shí)現室內、室外、野外等多種訓練。敞開(kāi)形超聲靶標利用飛行彈丸通過(guò)靶標時(shí)彈頭波到達不同傳感器所產(chǎn)生的時(shí)間差，確定彈丸在靶面上的位置。敞開(kāi)形超聲靶標包括8支孔式傳感器、框陣陣列、防護鋼板、木質(zhì)靶框、幕布、吸聲毛氈。
2．1 超聲傳感器的工作原理
當子彈穿過(guò)靶標時(shí)，彈頭波在其脈沖壓力作用下通過(guò)空氣介質(zhì)向四周傳播，直至遇上微孔管，部分激波通過(guò)微孔管到達傳感器。各個(gè)傳感器的時(shí)差由無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳給工控計算機，通過(guò)計算機解析來(lái)顯示彈丸位置，以此實(shí)現彈著(zhù)點(diǎn)自動(dòng)報靶。其結構簡(jiǎn)單、定位精度高、不受外界環(huán)境影響，通過(guò)孔式傳感器和幕布的方式解決多位無(wú)干擾和連發(fā)的問(wèn)題，射擊瞄準點(diǎn)指示物無(wú)特定要求。

根據惠更斯原理的子波思想：在波動(dòng)的每一點(diǎn)，都有一個(gè)獨立的源，它為進(jìn)一步傳播波創(chuàng )造條件，惠更斯還指出：“在一己知波前上的所有的點(diǎn)，都可以看作產(chǎn)生次級球面波的子波元，它們仍以在該媒質(zhì)中的波速向前傳播”，見(jiàn)圖2。我們在傳感器的前端加上微孔管，所以傳感器接收波是有方向性的，而且通過(guò)實(shí)驗證明：波在每一個(gè)微孔管里傳播的時(shí)差是相同的，大約是210 μs。其定位方法采用的是傳感器的時(shí)差計算方法，在其前端加上微孔管，不影響原來(lái)的計算方法，只是傳感器的坐標應該輸入其微孔管前端的坐標，統一把波在微孔管里的傳播當作一系統誤差，在軟件后端處理。圖3所示為超聲傳感器在靶標中的布陣將針式指向性傳感器針管按逆時(shí)針走向，裝入木質(zhì)靶框上。當彈頭波穿過(guò)靶面時(shí)，傳感器指向直接決定對有效波的采集情況，如何只對本靶面波源敏感，而屏蔽相鄰靶位與環(huán)境噪聲的影響，是定位系統研究的一個(gè)重要方面。在實(shí)際應用中，我們通過(guò)反復實(shí)驗，得到了針對超音速敞開(kāi)靶標使用的傳感器布陣。在孔式傳感器的后端給傳感器作了很好的封閉處理，在靶框外0．5m處幾乎接收不到波，為了更好地實(shí)現野外連發(fā)射擊，我們在兩相鄰靶框中間加一幕布，完全解決了相鄰靶位間的干擾問(wèn)題，見(jiàn)圖4(其中9：幕布，10：敞開(kāi)形靶標)。

3 實(shí)驗結果與分析
實(shí)驗是在專(zhuān)業(yè)射擊場(chǎng)內進(jìn)行的，在現有封閉空腔的自動(dòng)報靶系統的基礎上，后端軟件處理和封閉空腔的自動(dòng)報靶系統的軟件處理相同，都采用無(wú)線(xiàn)方式接收數據。實(shí)驗環(huán)境溫度：25℃左右，彈丸著(zhù)靶速度大于340m／s，彈丸直徑為7．62mm，靈敏度設為70，射擊距離為25m，79微沖實(shí)彈射擊，各個(gè)傳感器來(lái)數情況和報靶結果的對比見(jiàn)表所示1，從實(shí)驗中任意選幾組。 (其中的“新”為針式聲傳感器，“舊”為普通傳感器)

儀器采集到四個(gè)通道的傳感器的波形即聲壓曲線(xiàn)圖如下：此波形的第一個(gè)波峰都為正峰，而且后面的波峰值基本都小于第一個(gè)波峰值，所以為聲信號的正確提取創(chuàng )造了良好的基礎，振蕩持續時(shí)間在2000 μS之內。
下面再對比一組室外靶標右側有無(wú)幕布的射擊結果，見(jiàn)表2。

其中的255表示傳感器沒(méi)有來(lái)數，由此結果可以看出：如果沒(méi)有幕布，還是有很大的幾率報靶；有幕布的情況下，在靶標外射擊，本靶標不報靶，所以加上幕布很好地解決了相鄰靶位間的干擾以及連發(fā)問(wèn)題。
目前，我們所做的封閉空腔自動(dòng)報靶系統在國內屬于一流，多家射擊場(chǎng)正在使用此技術(shù)。從誤差比較的結果來(lái)看孔式敞開(kāi)形靶標的誤差值都在允許范圍之內，即一個(gè)彈徑之內，所以新的靶標能精確報靶，適用于現代化射擊場(chǎng)館使用。而且與現有的聲電自動(dòng)報靶系統相比還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)易于隱蔽、防護、體積小、重量輕、便于攜帶；2)多靶位情況下可進(jìn)行連發(fā)射擊自動(dòng)報靶。定位精度高且性能穩定可靠，也就是說(shuō)，其報靶精度在整個(gè)布陣區域內比較均勻，最大誤差3mm；3)靶標采用敞開(kāi)形，解決了靶標使用壽命低的問(wèn)題，不用更換修補。

4 結語(yǔ)
本系統能簡(jiǎn)單、實(shí)用、迅速、準確進(jìn)行定位及自動(dòng)報靶，有效地解決了現階段大量適用于軍隊、武警野外點(diǎn)射、連發(fā)射擊訓練等問(wèn)題。