基于超聲傳感器的自動報靶系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：文章結(jié)合惠更斯原理的子波思想提出一種超聲傳感器報靶系統(tǒng)，當(dāng)子彈穿過靶標(biāo)時，彈頭波在其脈沖壓力作用下通過空氣介質(zhì)向四周傳播，直至遇上微孔管，部分激波通過微孔管到達傳感器。接收信號采用無線傳輸模塊，通過解析各個傳感器的時差值來計算彈丸位置，以此實現(xiàn)彈著點自動報靶的系統(tǒng)。本系統(tǒng)對射擊瞄準(zhǔn)點指示物無特定要求，結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高、不受外界環(huán)境影響，通過孔式傳感器和幕布的方式解決多位無干擾和連發(fā)的問題。
關(guān)鍵詞：靶標(biāo)；傳感器；幕布；指向性

0 引言
    為了更好、更高效地訓(xùn)練槍械持有者的射擊技能，解決傳統(tǒng)訓(xùn)練設(shè)備技術(shù)落后、效率低等問題，更好地適應(yīng)高效、通用、科學(xué)的訓(xùn)練形勢，發(fā)展與之相適應(yīng)的新的現(xiàn)代化訓(xùn)練設(shè)備迫在眉睫?，F(xiàn)有大多數(shù)自動報靶定位裝置的靶標(biāo)皆為有形靶標(biāo)。多數(shù)采用封閉式聲空腔結(jié)構(gòu)，采用前后封閉靶板，對前后封閉靶板受彈數(shù)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(biāo)的使用壽命低，更換修補次數(shù)多。另外，現(xiàn)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)生的時間差，確定彈丸在靶面上的坐標(biāo)。雖能較好解決彈丸精確定位，但是不能解決連發(fā)問題。因此，現(xiàn)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(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種敞開形超聲傳感器的報靶系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、無耗材并且野外布設(shè)、便攜、射擊瞄準(zhǔn)指示物材料無特定要求，定位精度高，能解決彈丸單、連發(fā)精確定位問題。是一種能很好適用于野外實彈連發(fā)射擊訓(xùn)練、演習(xí)、戰(zhàn)場殺傷破壞評估中彈丸定位及自動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)點在于測量精度高，工作與光照條件無關(guān)，可以全天候工作。
    對裝于“口”型布陣靶框內(nèi)側(cè)的聲學(xué)傳感器來說，槍械類型和射擊距離不同，其探測到的傳感器信號不同，波形也會有所不同。在一個矩形木質(zhì)框架上裝入若干個聲電傳感器，當(dāng)彈頭從框架內(nèi)穿過時，沖擊框架內(nèi)的空氣使之產(chǎn)生擾動，形成一個沖擊波向周圍擴散(彈頭穿過點即為波源)，離波源最近的傳感器最先捕捉到該波，啟動檢靶儀開始計時，其余各傳感器依次接收到該波，這樣就獲得若干個時間差，通過這些時間差及彈頭速度(波速)，進行運算處理，就可以確定波源位置，即彈頭穿過位置。把這個框架作為射擊靶，就可以確定彈頭在靶子上的彈著點。其原理圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)由靶標(biāo)、檢靶儀、終端無線分機等組成。靶標(biāo)由傳感器、靶框、聲學(xué)空腔組成，靶標(biāo)采用木制薄框，附加2mm厚防彈鋼板，最外層是特制靶板；如果裝在靶車上可以無線遙控，實現(xiàn)前后移動，滿足7m、15m、25m打靶的需要，靶標(biāo)可以90°左右轉(zhuǎn)動和90°上下翻轉(zhuǎn)。終端無線分機由語音及換射手開關(guān)、工控主板、通訊模塊、數(shù)據(jù)處理器、機箱、電源等組成，便攜靶機通過天線接收前端的數(shù)據(jù)信號，攜帶方便，可以實現(xiàn)室內(nèi)、室外、野外等多種訓(xùn)練。敞開形超聲靶標(biāo)利用飛行彈丸通過靶標(biāo)時彈頭波到達不同傳感器所產(chǎn)生的時間差，確定彈丸在靶面上的位置。敞開形超聲靶標(biāo)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(dāng)子彈穿過靶標(biāo)時，彈頭波在其脈沖壓力作用下通過空氣介質(zhì)向四周傳播，直至遇上微孔管，部分激波通過微孔管到達傳感器。各個傳感器的時差由無線傳輸模塊傳給工控計算機，通過計算機解析來顯示彈丸位置，以此實現(xiàn)彈著點自動報靶。其結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高、不受外界環(huán)境影響，通過孔式傳感器和幕布的方式解決多位無干擾和連發(fā)的問題，射擊瞄準(zhǔn)點指示物無特定要求。

    根據(jù)惠更斯原理的子波思想：在波動的每一點，都有一個獨立的源，它為進一步傳播波創(chuàng)造條件，惠更斯還指出：“在一己知波前上的所有的點，都可以看作產(chǎn)生次級球面波的子波元，它們?nèi)砸栽谠撁劫|(zhì)中的波速向前傳播”，見圖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，而且通過實驗證明：波在每一個微孔管里傳播的時差是相同的，大約是210 μs。其定位方法采用的是傳感器的時差計算方法，在其前端加上微孔管，不影響原來的計算方法，只是傳感器的坐標(biāo)應(yīng)該輸入其微孔管前端的坐標(biāo)，統(tǒng)一把波在微孔管里的傳播當(dāng)作一系統(tǒng)誤差，在軟件后端處理。圖3所示為超聲傳感器在靶標(biāo)中的布陣將針式指向性傳感器針管按逆時針走向，裝入木質(zhì)靶框上。當(dāng)彈頭波穿過靶面時，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(tǒng)研究的一個重要方面。在實際應(yīng)用中，我們通過反復(fù)實驗，得到了針對超音速敞開靶標(biāo)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，為了更好地實現(xiàn)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題，見圖4(其中9：幕布，10：敞開形靶標(biāo))。

3 實驗結(jié)果與分析
    實驗是在專業(yè)射擊場內(nèi)進行的，在現(xiàn)有封閉空腔的自動報靶系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，后端軟件處理和封閉空腔的自動報靶系統(tǒng)的軟件處理相同，都采用無線方式接收數(shù)據(jù)。實驗環(huán)境溫度：25℃左右，彈丸著靶速度大于340m／s，彈丸直徑為7．62mm，靈敏度設(shè)為70，射擊距離為25m，79微沖實彈射擊，各個傳感器來數(shù)情況和報靶結(jié)果的對比見表所示1，從實驗中任意選幾組。 (其中的“新”為針式聲傳感器，“舊”為普通傳感器)

    儀器采集到四個通道的傳感器的波形即聲壓曲線圖如下：此波形的第一個波峰都為正峰，而且后面的波峰值基本都小于第一個波峰值，所以為聲信號的正確提取創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，振蕩持續(xù)時間在2000 μS之內(nèi)。
    下面再對比一組室外靶標(biāo)右側(cè)有無幕布的射擊結(jié)果，見表2。

    其中的255表示傳感器沒有來數(shù)，由此結(jié)果可以看出：如果沒有幕布，還是有很大的幾率報靶；有幕布的情況下，在靶標(biāo)外射擊，本靶標(biāo)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)問題。
    目前，我們所做的封閉空腔自動報靶系統(tǒng)在國內(nèi)屬于一流，多家射擊場正在使用此技術(shù)。從誤差比較的結(jié)果來看孔式敞開形靶標(biāo)的誤差值都在允許范圍之內(nèi)，即一個彈徑之內(nèi)，所以新的靶標(biāo)能精確報靶，適用于現(xiàn)代化射擊場館使用。而且與現(xiàn)有的聲電自動報靶系統(tǒng)相比還具有以下優(yōu)點：1)易于隱蔽、防護、體積小、重量輕、便于攜帶；2)多靶位情況下可進行連發(fā)射擊自動報靶。定位精度高且性能穩(wěn)定可靠，也就是說，其報靶精度在整個布陣區(qū)域內(nèi)比較均勻，最大誤差3mm；3)靶標(biāo)采用敞開形，解決了靶標(biāo)使用壽命低的問題，不用更換修補。

4 結(jié)語
    本系統(tǒng)能簡單、實用、迅速、準(zhǔn)確進行定位及自動報靶，有效地解決了現(xiàn)階段大量適用于軍隊、武警野外點射、連發(fā)射擊訓(xùn)練等問題。