基于超聲傳感器的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(bào)靶系統(tǒng)，當(dāng)子彈穿過靶標(biāo)時(shí)，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(dá)傳感器。接收信號(hào)采用無線傳輸模塊，通過解析各個(gè)傳感器的時(shí)差值來計(jì)算彈丸位置，以此實(shí)現(xiàn)彈著點(diǎn)自動(dòng)報(bào)靶的系統(tǒng)。本系統(tǒng)對(duì)射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)指示物無特定要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)，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(dòng)報(bào)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(duì)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(bǔ)。因而靶標(biāo)的使用壽命低，更換修補(bǔ)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(dá)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(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(duì)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(bào)靶系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)彈連發(fā)射擊訓(xùn)練、演習(xí)、戰(zhàn)場(chǎng)殺傷破壞評(píng)估中彈丸定位及自動(dòng)報(bào)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(cè)量精度高，工作與光照條件無關(guān)，可以全天候工作。
對(duì)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(cè)到的傳感器信號(hào)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(dāng)彈頭從框架內(nèi)穿過時(shí)，沖擊框架內(nèi)的空氣使之產(chǎn)生擾動(dòng)，形成一個(gè)沖擊波向周圍擴(kuò)散(彈頭穿過點(diǎn)即為波源)，離波源最近的傳感器最先捕捉到該波，啟動(dòng)檢靶儀開始計(jì)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，通過這些時(shí)間差及彈頭速度(波速)，進(jìn)行運(yùn)算處理，就可以確定波源位置，即彈頭穿過位置。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點(diǎn)。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(jī)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(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)，滿足7m、15m、25m打靶的需要，靶標(biāo)可以90°左右轉(zhuǎn)動(dòng)和90°上下翻轉(zhuǎn)。終端無線分機(jī)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(jī)箱、電源等組成，便攜靶機(jī)通過天線接收前端的數(shù)據(jù)信號(hào)，攜帶方便，可以實(shí)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(shí)彈頭波到達(dá)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。敞開形超聲靶標(biāo)包括8支孔式傳感器、框陣陣列、防護(hù)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(shí)，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(dá)傳感器。各個(gè)傳感器的時(shí)差由無線傳輸模塊傳給工控計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)解析來顯示彈丸位置，以此實(shí)現(xiàn)彈著點(diǎn)自動(dòng)報(bào)靶。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)指示物無特定要求。

根據(jù)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(dú)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(jí)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?cè)趥鞲衅鞯那岸思由衔⒖坠?，所以傳感器接收波是有方向性的，而且通過實(shí)驗(yàn)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(jì)算方法，在其前端加上微孔管，不影響原來的計(jì)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(shí)針走向，裝入木質(zhì)靶框上。當(dāng)彈頭波穿過靶面時(shí)，傳感器指向直接決定對(duì)有效波的采集情況，如何只對(duì)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(gè)重要方面。在實(shí)際應(yīng)用中，我們通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到了針對(duì)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(shí)現(xiàn)野外連發(fā)射擊，我們?cè)趦上噜彴锌蛑虚g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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
實(shí)驗(yàn)是在專業(yè)射擊場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行的，在現(xiàn)有封閉空腔的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，后端軟件處理和封閉空腔的自動(dòng)報(bào)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(shí)驗(yàn)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(shí)彈射擊，各個(gè)傳感器來數(shù)情況和報(bào)靶結(jié)果的對(duì)比見表所示1，從實(shí)驗(yàn)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(hào)的正確提取創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，振蕩持續(xù)時(shí)間在2000 μS之內(nèi)。
下面再對(duì)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(bào)靶；有幕布的情況下，在靶標(biāo)外射擊，本靶標(biāo)不報(bào)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(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)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(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(gè)彈徑之內(nèi)，所以新的靶標(biāo)能精確報(bào)靶，適用于現(xiàn)代化射擊場(chǎng)館使用。而且與現(xiàn)有的聲電自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)相比還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)易于隱蔽、防護(hù)、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(bào)靶。定位精度高且性能穩(wěn)定可靠，也就是說，其報(bào)靶精度在整個(gè)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(bǔ)。

4 結(jié)語
本系統(tǒng)能簡(jiǎn)單、實(shí)用、迅速、準(zhǔn)確進(jìn)行定位及自動(dòng)報(bào)靶，有效地解決了現(xiàn)階段大量適用于軍隊(duì)、武警野外點(diǎn)射、連發(fā)射擊訓(xùn)練等問題。