全向多部位立體報靶關鍵技術研究

李睿，葉楊

（融通科學院第六十研究所（原中國人民解放軍總參謀部第六十研究所），江蘇南京，210000）

0 引言

隨著軍事射擊訓練朝著真實化、戰(zhàn)術化、智能化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的固定式平面靶標無法滿足新的訓練要求，因此需要一種能夠在全方向入射條件下實現(xiàn)立體靶標多部位（頭、胸、腹、心臟等）報靶方法。目前能夠穩(wěn)定可靠實現(xiàn)全向多部位立體報靶的技術手段很有限。本文基于導聲腔結構，研究了基于振動+激波復合檢測技術的命中部位檢測技術和實現(xiàn)方法，可實現(xiàn)高正確率、高可靠性、低成本的檢測方案。

1 立體報靶方法

1.1 導聲腔定位原理

人形立體多部位報靶技術原理為采用振動、激波復合檢測的方法測量振動信號與激波觸發(fā)信號的時間差，從而確定射擊命中部位。具體方法為采用底部安裝有激波傳感器，外層具有導振功能的柱狀導聲腔，檢測子彈命中導聲腔外層產(chǎn)生的振動信號與子彈射入桶內(nèi)產(chǎn)生的激波信號的到達時間差，以計算出子彈命中導聲腔的高度位置，從而確定射擊命中的部位。

圖1 柱狀導聲腔結構及原理

如上圖所示，當子彈命中硬質(zhì)外層時，將產(chǎn)生一個振動信號，該信號將沿著導聲腔外層傳遞至加速度傳感器，設命中位置與加速度傳感器間距離為L1。當子彈射入導聲腔內(nèi)，將產(chǎn)生一個激波信號，該信號沿導聲腔向下傳遞至激波傳感器，設子彈命中位置與激波傳感器間距離為L2。由于振動信號在硬質(zhì)材料中傳播的速度遠遠高于激波在空氣中傳播的速度（如振動在硬質(zhì)ABS塑料材質(zhì)中的傳播速度約為2500m/s，激波在空氣中傳播的速度約為340m/s），因此可以有近似L1≈L2=L，即子彈命中位置的高度。設加速度傳感器與激波傳感器各自接收到信號的時間差為ΔT，則可以建立如下等式：

其中V為振動信號在硬質(zhì)外層中的傳播速度，c為聲速，因此求得子彈命中的高度位置L=?T?Vc/(V?c)。

1.2 立體靶標設計

依據(jù)導聲腔定位原理，可將立體靶標設計內(nèi)部帶隔腔的中空形式、部位劃分方法依據(jù)命中的導聲腔及定位高度，劃分為頭部、胸部、腹部及心臟4個部位，具體高度劃分如圖2所示。

圖2 立體靶腔分割結構

設連通頭部的導聲腔對應的激波傳感器為1號，另一個為2號，與之對應的，在振動傳感器觸發(fā)的前提下，不同命中狀態(tài)下的部位判定的方法為：

(1)當1號傳感器觸發(fā)，2號傳感器不觸發(fā)時：

1)當命中位置高度L3＜L≤L4時，判定為頭部；

2)當命中位置高度L1＜L≤L3時，判定為胸部；

3)當命中位置高度0≤L≤L1時，判定為腹部。

(2)當2號傳感器觸發(fā)，1號傳感器不觸發(fā)時：

1)當命中位置高度L2＜L≤L3時，判定為胸部；

2)當命中位置高度L1＜L≤L2，判定為心臟；

3)當命中位置高度0≤L≤L1，判定為腹部。

(3)當1號、2號傳感器都觸發(fā)時：

1)當命中位置高度L3＜L≤L4時，判定為頭部；

2)當命中位置高度L2＜L≤L3時，判定為胸部；

3)當命中位置高度L1＜L≤L2，判定為心臟；

4)當命中位置高度0≤L≤L1，判定為腹部；

5)當兩個導聲腔判定的部位不同時，判定優(yōu)先級為：頭部＞心臟＞胸部＞腹部。

當1號、2號傳感器都不觸發(fā)時判定為：脫靶。

1.3 導聲腔定位誤差分析

以理想的圓柱體為例，如果加速度傳感器P安裝在某一側的外壁上，則在同一命中高度L，距離傳感器最近及最遠的點分別為點A和點B，因此振動信號的最短傳遞路徑分別為直線AP及曲線BP，經(jīng)計算可知：

圖3 理想圓柱體導聲腔

當導聲腔直徑R固定時，則得到傳遞路程差ΔL=BP﹣AP，該路程差造成的定位高度偏差ΔH為：

取c=340m/s、v=3000m/s、R=0.15m，高度定位偏差隨命中高度增加單調(diào)遞減，在靶標高度范圍的所有高度位置，定位偏差均在3cm以下，當命中高度大于30cm以上時，定位偏差小于1cm。

1.4 工作流程

依據(jù)設計方案，需要檢測的信號為加速度傳感器的觸發(fā)信號及激波觸發(fā)信號、加速度傳感器采用已在組合命中報靶課題中應用的AD公司生產(chǎn)的ADXL1002加速度傳感器，該傳感器采用MEMS工藝，噪聲性能已經(jīng)接近傳統(tǒng)的壓電式加速度傳感器，輸出為模擬電壓信號具有從直流到11kHz的線性頻率響應范圍（3dB點）、單電源供電、低功耗、工作溫度范圍在-40℃至150℃等優(yōu)點，充分滿足檢測需求。

激波傳感器采用成熟的壓電式超聲傳感器，可選用市面出售的貨架產(chǎn)品，諧振頻率為40kHz，檢測方式為幅度閾值檢測。

時差計算基于STM32平臺實現(xiàn)，采用振動信號作為外部中斷觸發(fā)源，控制內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)。

1.5 信號處理

當子彈命中靶標外殼產(chǎn)生一個振動信號時，由于靶標腔體內(nèi)部的激波傳感器與靶標外殼存在機械連接，因此該振動信號會不可避免地耦合到激波信號的檢測通道中，當這個耦合信號的幅度超過檢測閾值時（子彈命中靶標的位置越低概率越高），造成時差測量的誤差。通道2采樣的激波信號在到達前沿之前存在一個干擾信號即為振動耦合信號，該信號在頻域上更靠近低頻。

為了保證部位判定的成功率，必須濾除激波信號中的振動耦合信號。為了保證濾波效果，并盡可能保證激波信號的完整性，采用小波變換的方法對信號進行時頻域分析，分離出激波信號。

小波變換與傅里葉變換相似，利用類似正/余弦函數(shù)的一族函數(shù)來表示信號，即小波函數(shù)系。這個小波函數(shù)系與正/余弦函數(shù)不同，由一個基本小波函數(shù)通過平移和伸縮組成的。設L2(R)為一個平方可積的實數(shù)空間，對小波基函數(shù)ψ(t)做伸縮和平移，有：

式中，a為尺度因子；b為平移因子。變量a反映該函數(shù)的尺度，變量b用來表達小波函數(shù)在t軸上的平移位置。如果在L2(R)定義一個積分小波變換Wf：

對應的二進離散小波變換為：

則小波系數(shù)Cj,k由Cj,k=f,ψj,k給出 ：

其重構公式為：

上述公式即為小波包重構算法公式。通過使用該公式對不同頻段的信號進行重構，從而達到分離振動信號和激波信號的目的。

激波采樣信號經(jīng)過上述處理后，舍棄干擾信號存在的頻帶，并對信號進行重構。激波信號經(jīng)濾波后，干擾信號明顯衰減，已不能影響判定結果。

1.6 自適應閾值設定

為有效檢測子彈激波到達的準確時間并計算出精確的時差值，避免閾值過大或過小使時差估計偏大或偏小，需根據(jù)采樣數(shù)據(jù)自適應的選取合適的閾值。振動信號開始觸發(fā)到檢測到激波信號之前，傳感器采集到的是噪聲信號數(shù)據(jù)，符合高斯分布。根據(jù)拉依達法則，數(shù)值分布在（μ-σ，μ+σ）區(qū)間中概率為0.6827，超出這一范圍時，可以認為激波信號已經(jīng)到達。為選擇合適的有效數(shù)據(jù)段計算閾值大小，取最大高度為L時，計算出此時的最大時差dt，根據(jù)N = dt*Fs（Fs為采樣頻率）計算出所需最小的采樣點，以此采樣點之前的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)段，選取1,2通道最大值作為自適應閾值。

2 測試結果

根據(jù)上述方案設計了驗證原理樣機，并進行了實彈射擊測試。立體靶標外殼采用具有收縮特性的ABS塑料材質(zhì)。

樣機經(jīng)實彈射擊，并采集各路傳感器的信號。由于子彈命中高度的原因，振動信號明顯與激波信號存在到達時差，且時差大小與高度成正比；同時，子彈命中的一側腔體內(nèi)的激波信號明顯強于另一側，由此可實現(xiàn)子彈命中部位的判定。

樣機經(jīng)多輪測試，得到部位定位結果如下表所示?？梢钥吹皆?2手槍（9mm）30發(fā)射擊測試中，部位判定正確率100%，高度判定偏差不超過40mm。

表1 原理樣機實彈測試結果

3 結論

本文采用的基于振動+激波復合檢測方法能夠有效實現(xiàn)不同命中部位的高正確率判定，且實現(xiàn)簡單、可靠耐用、成本低廉，為實現(xiàn)全向立體多部位報靶技術提供了一種切實可行的技術路線，具有很好的應用前景。