CN105509571A - 开放式三维布阵超声自动报靶器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种开放式三维布阵超声自动报靶器，包括靶架、计算机、显示器、电源，在所述靶架上安装有超声传感器、环境温度补偿传感器、环境风速风向补偿仪器、数据采集与处理器；超声传感器数量为六只，六只超声传感器每三只一横排，且在横竖方向上都在同一条水平线上，六只超声传感器均在同一个水平面上且与水平面成一定夹角。本发明使用6个超声传感器的靶架，应用超声检测学、声学原理以及空气动力学建模方法，根据超音速炮弹激波形态与超声传感器阵列间的几何关系，并加以环境补偿电路来建立外弹道的声学模型，根据测量的传感器时间等参数，最终解算出直瞄轻、重武器的弹丸轨迹和靶面的交点，解算出弹着点的坐标。解决了重武器训练难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种实用于室外靶场的直瞄轻、重武器射击的自动报靶设备，具体的说是一种开放式三维布阵超声自动报靶器。
背景技术
超声自动报靶器起源于20世纪90年代，他们的工作方式是对直瞄轻武器射击训练的自动报靶。其特点是自动报靶器包含有靶腔，靶腔的外表面贴有胸环靶纸等瞄准器具。此自动报靶器只适合于近距离（一般小于等于200米）正对精度射击，它们传感器包含在密封的靶腔内使得坐标解算和信号处理排除了风场中风速、风向等环境因素及其他激波、杂波的干扰因素，并只能适合直瞄轻武器的射击训练，不能适合重型武器，例如坦克、大炮、火箭弹的射击训练。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种开放式三维布阵超声自动报靶器，包括靶架、计算机、显示器、电源，在所述靶架上安装有超声传感器、环境温度补偿传感器、环境风速风向补偿仪器、数据采集与处理器；
所述超声传感器数量为六只，六只超声传感器每三只一横排，且在横竖方向上都在同一条水平线上，六只超声传感器均在同一个水平面上且与水平面成一定夹角；
环境风速风向补偿仪固定安装在靶架上；
所述超声传感器、环境温度补偿传感器、环境风速风向补偿仪器与数据采集与处理器相连；
所述超声传感器、环境温度补偿传感器和环境风速风向补偿仪的输出送至数据采集与处理器，数据采集与处理器通过串行总线和后端计算机相连，数据采集与处理器将实时采集的时间差数据、温度补偿数据和风速风向数据送至后端计算机，后端计算机解算出弹点坐标，并在显示器上显示弹点位置。
所述六只超声传感器每三只一横排，且在横竖方向上都在同一条水平线上，最佳设置，六只超声传感器均在同一个水平面上且与水平面成45°夹角。
所述靶架上还安装有六只超声传感器底座，超声传感器底座上安装有橡胶圈，每只超声传感器通过硅胶粘连在橡胶圈内。
所述超声传感器的顶面还安装有防弹罩。
所述连接超声传感器、环境温度补偿传感器以及环境风速风向补偿仪器的八根数据线通过靶架方管引入送至信号采集与处理器。
所述数据采集与处理器包含有六路传感器前置放大电路、滤波电路、主放大电路、跟随电路、电压比较电器，并设置有时差测量仪、温度采集测量与转换电路、风速风向采集测量与转换电路、数据收发器、信号的长距离传输电路、电源变换器；
前置放大电路与滤波电路相连，前置放大电路把超声传感器所接收到的信号进行放大到一定的幅度后送至滤波电路；
滤波电路与主放大电路相连，滤波电路有效的滤除其干扰信号和噪声信号后将信号送至主放大电路；
主放大电路与跟随电路相连，跟随电路用来增强信号的输出驱动能力，主放大电路与跟随电路使信号达到一定的输出幅度后，将信号送至电压比较器进行判别；
电压比较器与时差测量仪相连，电压比较器将信号送至时差测量仪，时差测量仪测出时间差数据，所述时差测量仪通过脉冲计数电路和数据采集与处理器的单片机相连；
所述温度采集测量及转换电路、风速风向采集测量及转换电路与时差测量仪的单片机数据总线相连，所述单片机数据总线包括地址线和控制线，所述温度采集测量及转换电路、风速风向采集测量及转换电路实时采集环境温度值和风速风向值，并将采集到的温度数据和风速风向数据，由数据采集与处理器转换成数字电信号；
时差测量仪将六路超声信号的时间差精度精确的测量出来后与环境温度数字电信号、环境风速风向数字电信号一起，由数据采集与处理器转换成数字电信号后，由数据收发器通过长距离传输电路传输送至计算机；
所述电源变换器为各部分提供有效工作的电源。
所述靶架上还安装有无线数传电台。
所述防弹罩为镂空的滤网。
所述超声传感器底座包括固定座、支撑座、安装座，固定座上设有螺孔，安装座与固定座呈45度夹角，安装座中部设有超声传感器安装槽，所述超声传感器安装槽的各斜面与安装座面垂直，安装座上还设有螺孔。
有益效果：本发明开放式三维布阵超声自动报靶器实用于部队野战训练直瞄轻、重武器的射击训练。本发明使用全开放式含有6个超声传感器的靶架，应用超声检测学、声学原理以及空气动力学建模的方法，根据超音速炮弹激波形态与超声传感器阵列间的几何关系，并加以环境补偿电路来建立外弹道的声学模型，根据测量出来的传感器时间等参数，最终解算出直瞄轻、重武器的弹丸轨迹和靶面的交点，解算出弹着点的坐标并直观地在计算机上显示出来。本系统解决了直瞄武器斜射、有风扰动场下的模型解算、开放式超声检测抗干扰的难题。弥补了上述超声自动报靶不支持大角度斜射、远距离射击、有风场扰动和其它激波、杂波干扰下的射击训练问题。
说明书附图
图1为开放式三维布阵超声自动报靶器超声测量原理图；
图2为本发明电气原理框图；
图3为开放式三维布阵超声自动报靶器靶架结构示意图；
图4为防弹罩结构示意图；
图5为超声传感器底座结构示意图；
图6为超声传感器底座俯视结构示意图；
其中：靶架1、超声传感器2、环境温度补偿传感器3、环境风速风向补偿仪器4、数据采集与处理器5、超声传感器底座6、前置放大电路7、滤波电路8、主放大电路9、跟随电路10、电压比较电器11、时差测量仪12、温度采集测量与转换电路13、风速风向采集测量与转换电路14、数据收发器15、电源变换器16、地址线17、控制线18、固定座19、支撑座20、安装座21、螺孔22、传感器安装槽23、橡胶圈24、防弹罩25。
具体实施方式
实施例1：如图2-6所示，一种开放式三维布阵超声自动报靶器，包括靶架1、计算机、显示器、电源，在所述靶架1上安装有超声传感器2、环境温度补偿传感器3、环境风速风向补偿仪器4、数据采集与处理器5；
所述超声传感器2数量为六只，六只超声传感器2每三只一横排，且在横竖方向上都在同一条水平线上，六只超声传感器2均在同一个水平面上且与水平面成一定夹角；
环境风速风向补偿仪4固定安装在靶架上；
所述超声传感器2、环境温度补偿传感器3、环境风速风向补偿仪器4与数据采集与处理器5相连；
所述超声传感器2、环境温度补偿传感器3和环境风速风向补偿仪4的输出送至数据采集与处理器5，数据采集与处理器5通过串行总线和后端计算机相连，数据采集与处理器5将实时采集的时间差数据、温度补偿数据和风速风向数据送至后端计算机，后端计算机解算出弹点坐标，并在显示器上显示弹点位置。
所述六只超声传感器2每三只一横排，且在横竖方向上都在同一条水平线上，最佳设置为：六只超声传感器2均在同一个水平面上且与水平面成45°夹角。
所述靶架1上还安装有六只超声传感器底座6，超声传感器底座6上安装有橡胶圈24，每只超声传感器2通过硅胶粘连在橡胶圈24内。
所述超声传感器2的顶面还安装有防弹罩25。
所述连接超声传感器2、环境温度补偿传感器3以及环境风速风向补偿仪器4的八根数据线通过靶架方管引入送至信号采集与处理器5。
所述数据采集与处理器5包含有六路传感器前置放大电路7、滤波电路8、主放大电路9、跟随电路10、电压比较电器11，并设置有时差测量仪12、温度采集测量与转换电路13、风速风向采集测量与转换电路14、数据收发器15、信号的长距离传输电路、电源变换器16；
前置放大电路7与滤波电路8相连，前置放大电路7把超声传感器所接收到的信号进行放大到一定的幅度后送至滤波电路8；
滤波电路8与主放大电路9相连，滤波电路8有效的滤除其干扰信号和噪声信号后将信号送至主放大电路9；
主放大电路9与跟随电路10相连，跟随电路10用来增强信号的输出驱动能力，主放大电路9与跟随电路10使信号达到一定的输出幅度后，将信号送至电压比较器11进行判别；
电压比较器11与时差测量仪12相连，电压比较器11将信号送至时差测量仪12，时差测量仪12测出时间差数据，所述时差测量仪12通过脉冲计数电路和数据采集与处理器5的单片机相连；
所述温度采集测量及转换电路13、风速风向采集测量及转换电路14与时差测量仪12的单片机数据总线相连，所述单片机数据总线包括地址线17和控制线18，所述温度采集测量及转换电路13、风速风向采集测量及转换电路14实时采集环境温度值和风速风向值，并将采集到的温度数据和风速风向数据，由数据采集与处理器转换成数字电信号；
时差测量仪12将六路超声信号的时间差精度精确的测量出来后与环境温度数字电信号、环境风速风向数字电信号一起，由数据采集与处理器5转换成数字电信号后，由数据收发器15通过长距离传输电路传输送至计算机；
所述电源变换器16为各部分提供有效工作的电源。
所述靶架1上还安装有无线数传电台。
所述防弹罩25为镂空的滤网。
所述超声传感器底座6包括固定座19、支撑座20、安装座21，固定座19上设有螺孔22，安装座21与固定座19呈45度夹角，安装座21中部设有超声传感器安装槽23，所述超声传感器安装槽23的各斜面与安装座21面垂直，安装座21上还设有螺孔22。
实施例2：
为了更好的理解本发明，本发明开放式三维布阵超声自动报靶器测量原理如下：
如图1所示，建立数学模型前，在不影响实际情况的前提下，提出一些重要的假设。假设弹丸飞行轨迹是一条直线，忽略弹道高；假设弹丸轨迹不受风的影响；假设弹丸是垂直入射靶面的，弹丸速度v>c（音速）。当弹丸以超音速在大气中飞行时，空气由于受到弹丸的扰动而产生疏密变化的压力波，通常称为弹丸激波。弹道上的每一点的弹丸激波轨迹形成一个顶点在弹丸头部的椎体，波前呈一锥面。锥面半角的正弦值等于声音传播速度与弹丸飞行的速度值之比（弹丸飞行马赫数）。具体原理参见附图1。在图1中，本系统采用6个超声传感器的布阵方式，超声传感器A、B、C、D、E、F能够探测到超音速飞行的弹丸的激波信号。利用B、D组传感器测量弹丸的速度v(假设弹丸垂直入射)，利用A、B组传感器、B、C组传感器接、D、E组传感器和E、F组传感器收到激波信号的时间差帮助解算弹丸入射坐标。
为了达到数学模型所要的结果和效果，需要对现有报靶器的结构进行调整，并安装必须的设备，并设置好各项设备，尤其是安装设备的位置和角度。本发明开放式三维布阵超声自动报靶器结构如下：
如图3所示，一种开放式三维布阵超声自动报靶器，包括靶架1、计算机、显示器、电源，在所述靶架1上安装有超声传感器2、环境温度补偿传感器3、环境风速风向补偿仪器4、数据采集与处理器5；
所述超声传感器2数量为六只，六只超声传感器2每三只一横排，且在横竖方向上都在同一条水平线上，六只超声传感器2均在同一个水平面上且与水平面成一定夹角，最佳为45度，当超声传感器2在同一个水平面上且与水平面成45度夹角时，弹丸激波的斜面与超声传感器临近垂直，超声传感器2接收信号最佳。
环境风速风向补偿仪4固定安装在靶架1上；
所述超声传感器2、环境温度补偿传感器3、环境风速风向补偿仪器4与数据采集与处理器5相连；
所述超声传感器2、环境温度补偿传感器3和环境风速风向补偿仪4的输出送至数据采集与处理器5，数据采集与处理器5通过串行总线和后端计算机相连，数据采集与处理器5将实时采集的时间差数据、温度补偿数据和风速风向数据送至后端计算机，后端计算机解算出弹点坐标，并在显示器上显示弹点位置。
1.如图3-6所示，所述靶架1上还安装有六只超声传感器底座6，超声传感器底座6上安装有橡胶圈24，每只超声传感器2通过硅胶粘连在橡胶圈24内。橡胶圈还可以为橡胶垫，超声传感器底座6下铺垫的柔性橡胶垫或橡胶圈后被安装在靶架1上。橡胶圈24、橡胶垫与超声传感器2之间安装装填硅胶，超声传感器底座6与靶架1间铺垫有柔性橡胶垫，这些皆起到减震、抗干扰作用。
所述超声传感器2的顶面还安装有防弹罩25。
所述靶架1上还安装有无线数传电台。
所述防弹罩25为镂空的滤网，安装时，通过其边缘的螺孔将防弹罩固定安装在超声传感器底座6上。
所述连接超声传感器2、环境温度补偿传感器3以及环境风速风向补偿仪器4的八根数据线通过靶架方管引入送至信号采集与处理器5。
如图5-6所示，所述超声传感器底座6包括固定座19、支撑座20、安装座21，固定座19上设有螺孔22，安装座21与固定座19呈45度夹角，安装座21中部设有超声传感器安装槽23，所述超声传感器安装槽23的各斜面与安装座21面垂直，安装座21上还设有螺孔22。
如图2所示，所述数据采集与处理器5包含有六路传感器前置放大电路7、滤波电路8、主放大电路9、跟随电路10、电压比较电器11，并设置有时差测量仪12、温度采集测量与转换电路13、风速风向采集测量与转换电路14、数据收发器15、信号的长距离传输电路、电源变换器16；
前置放大电路7与滤波电路8相连，前置放大电路7把超声传感器所接收到的信号进行放大到一定的幅度后送至滤波电路8；
滤波电路8与主放大电路9相连，滤波电路8有效的滤除其干扰信号和噪声信号后将信号送至主放大电路9；
主放大电路9与跟随电路10相连，跟随电路10用来增强信号的输出驱动能力，主放大电路9与跟随电路10使信号达到一定的输出幅度后，将信号送至电压比较器11进行判别；
电压比较器11与时差测量仪12相连，电压比较器11将信号送至时差测量仪12，时差测量仪12测出时间差数据，所述时差测量仪12通过脉冲计数电路和数据采集与处理器5的单片机相连；
所述温度采集测量及转换电路13、风速风向采集测量及转换电路14与时差测量仪12的单片机数据总线相连，所述单片机数据总线包括地址线17和控制线18，所述温度采集测量及转换电路13、风速风向采集测量及转换电路14实时采集环境温度值和风速风向值，并将采集到的温度数据和风速风向数据，由数据采集与处理器转换成数字电信号；
时差测量仪12将六路超声信号的时间差精度精确的测量出来后与环境温度数字电信号、环境风速风向数字电信号一起，由数据采集与处理器5转换成数字电信号后，由数据收发器15通过长距离传输电路传输送至计算机；计算机为总控计算机，总控计算机计算结果并实时在其显示器上显示射击成绩。
所述电源变换器16为各部分提供有效工作的电源。
总控计算机包括通信接收部分、计算机显示部分、计算机查询部分，其中通信接收部分通过信号电缆与数传电台相连，或者通信接收部分通过信号接收器与无线数传电台相连，通信接收部分用以接收信号采集器发来的数据，主控计算机在接收到数据后根据数学模型计算出X、Y坐标，然后根据靶型判断命中与否，命中发数，主控计算机可实时进行前端供电系统的电量查询、环境温度查询和风速查询。
本发明使用全开放式含有6个超声传感器的靶架，应用超声检测学、声学原理以及空气动力学建模的方法，根据超音速炮弹激波形态与超声传感器阵列间的几何关系，并加以环境补偿电路来建立外弹道的声学模型，根据测量出来的传感器时间等参数，最终解算出直瞄轻、重武器的弹丸轨迹和靶面的交点，解算出弹着点的坐标并直观地在计算机上显示出来。本系统解决了直瞄武器斜射、有风扰动场下的模型解算、开放式超声检测抗干扰的难题。弥补了上述超声自动报靶不支持大角度斜射、远距离射击、有风场扰动和其它激波、杂波干扰下的射击训练问题，有效解决了重型武器射击训练自动报靶的难题。
Claims (10)
1.一种开放式三维布阵超声自动报靶器，包括靶架、计算机、显示器、电源，其特征在于：在所述靶架上安装有超声传感器、环境温度补偿传感器、环境风速风向补偿仪器、数据采集与处理器；
所述超声传感器数量为六只，六只超声传感器每三只一横排，且在横竖方向上都在同一条水平线上，六只超声传感器均在同一个水平面上且与水平面成一定夹角；
环境风速风向补偿仪固定安装在靶架上；
所述超声传感器、环境温度补偿传感器、环境风速风向补偿仪器与数据采集与处理器相连；
所述超声传感器、环境温度补偿传感器和环境风速风向补偿仪的输出送至数据采集与处理器，数据采集与处理器通过串行总线和后端计算机相连，数据采集与处理器将实时采集的时间差数据、温度补偿数据和风速风向数据送至后端计算机，后端计算机解算出弹点坐标，并在显示器上显示弹点位置。
2.根据权利要求1所述的开放式三维布阵超声自动报靶器，其特征在于：所述六只超声传感器每三只一横排，且在横竖方向上都在同一条水平线上，六只超声传感器均在同一个水平面上且与水平面成45°夹角。
3.根据权利要求1所述的开放式三维布阵超声自动报靶器，其特征在于：所述靶架上还安装有六只超声传感器底座，超声传感器底座上安装有橡胶圈，每只超声传感器通过硅胶粘连在橡胶圈内。
4.根据权利要求1或2所述的开放式三维布阵超声自动报靶器，其特征在于：所述超声传感器的顶面还安装有防弹罩。
5.根据权利要求1所述的开放式三维布阵超声自动报靶器，其特征在于：所述连接超声传感器、环境温度补偿传感器以及环境风速风向补偿仪器的八根数据线通过靶架方管引入送至信号采集与处理器。
6.根据权利要求1所述的开放式三维布阵超声自动报靶器，其特征在于：所述数据采集与处理器包含有六路传感器前置放大电路、滤波电路、主放大电路、跟随电路、电压比较电器，并设置有时差测量仪、温度采集测量与转换电路、风速风向采集测量与转换电路、数据收发器、信号的长距离传输电路、电源变换器；
前置放大电路与滤波电路相连，前置放大电路把超声传感器所接收到的信号进行放大到一定的幅度后送至滤波电路；
滤波电路与主放大电路相连，滤波电路有效的滤除其干扰信号和噪声信号后将信号送至主放大电路；
主放大电路与跟随电路相连，跟随电路用来增强信号的输出驱动能力，主放大电路与跟随电路使信号达到一定的输出幅度后，将信号送至电压比较器进行判别；
电压比较器与时差测量仪相连，电压比较器将信号送至时差测量仪，时差测量仪测出时间差数据，所述时差测量仪通过脉冲计数电路，和数据采集与处理器的单片机相连；
所述温度采集测量及转换电路、风速风向采集测量及转换电路与时差测量仪的单片机数据总线相连，所述单片机数据总线包括地址线和控制线，所述温度采集测量及转换电路、风速风向采集测量及转换电路实时采集环境温度值和风速风向值，并将采集到的温度数据和风速风向数据，由数据采集与处理器转换成数字电信号；
时差测量仪将六路超声信号的时间差精度精确的测量出来后与环境温度数字电信号、环境风速风向数字电信号一起，由数据采集与处理器转换成数字电信号后，由数据收发器通过长距离传输电路传输送至计算机；
所述电源变换器为各部分提供有效工作的电源。
7.根据权利要求1所述的开放式三维布阵超声自动报靶器，其特征在于：所述靶架上还安装有无线数传电台。
8.根据权利要求4所述的开放式三维布阵超声自动报靶器，其特征在于：所述防弹罩为镂空的滤网。
9.根据权利要求3所述的开放式三维布阵超声自动报靶器，其特征在于：所述超声传感器底座包括固定座、支撑座、安装座，固定座上设有螺孔，安装座与固定座呈45度夹角，安装座中部设有超声传感器安装槽，所述超声传感器安装槽的各斜面与安装座面垂直，安装座上还设有螺孔。
10.根据权利要求6所述的开放式三维布阵超声自动报靶器，其特征在于：还包括电量查询电路，电量查询电路提供对供电电源的查询。
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