CN106247862A - 一种基于弹道波的自动报靶装置、测量方法及数据处理算法 - Google Patents

Abstract

一种基于弹道波的自动报靶装置，包括声信号检测装置、后台处理装置、显示控制终端和用于后台处理装置与显示控制终端进行数据通信的无线通信模块，所述声信号检测装置包括底座、设置在底座上的支撑结构、与支撑结构连接的靶框和设置在底座前方的掩体，所述底座上固定设置若干声学传感器，所述声学传感器的输出端连接用于对声信号进行采集调理转换为数字信号的声学调理仪，所述后台处理装置包括用于对声学传感器进行采集并转换为数字信号的声学调理仪、用于对声信号进行预处理的信号处理机，所述显示控制终端包括显示装置和中央数据统计管理模块。本发明中传感器布设施工简单，后期维护工作大幅降低。

Description

一种基于弹道波的自动报靶装置、测量方法及数据处理算法

技术领域

本发明涉及一种声学测量系统，具体涉及一种基于弹道波自动的报靶装置、测量方法及数据处理算法。

背景技术

射击训练在军队、公安、武警等系统是常规训练。射击时的命中情况统计常规上靠人工查读靶纸上的环数，20世纪90年代以后出现用声学传感器测量中靶环数的自动报靶系统。

原有声学自动报靶系统的原理是：在靶框四边布设8个声学传感器，子弹击中靶板时，从击中点向四周辐射声信号，由于击中点到四边各声学传感器的距离不同，各传感器接收到的声信号的时间就不一致，利用该声信号到达各传感器的时间差，依据一定的算法，确定击中点位置，从而报出本次射击的环数。

上述声学自动报靶系统存在以下诸多缺点：要防止子弹击中声学传感器，需要在靶架上安装防弹钢板，靶架加工费用高、难度大；加装传感器和防弹钢板的靶架重量和体积都大增，在起倒靶中需要力矩更大的驱动电机，野外使用时需要更大的电源容量；防弹钢板被子弹多次击中后，仍需要更换，后期维护费用高；该系统仅能获得子弹着靶点，不能获得子弹弹道信息。

发明内容

本发明针对现有声学自动报靶系统存在技术的缺陷，提出了一种基于弹道波自动的报靶装置、测量方法及数据处理算法。

本发明的技术方案为：

一种基于弹道波的自动报靶装置，其特征在于，包括声信号检测装置、后台处理装置、显示控制终端和用于后台处理装置与显示控制终端进行数据通信的无线通信模块，所述声信号检测装置包括底座、设置在底座上的支撑结构、与支撑结构连接的靶框和设置在底座前方的掩体，所述底座上固定设置若干声 学传感器，所述声学传感器的输出端连接用于对声信号进行采集调理转换为数字信号的声学调理仪，所述后台处理装置包括用于对声学传感器进行采集并转换为数字信号的声学调理仪和用于对声信号进行预处理的信号处理机，所述显示控制终端包括显示装置和中央数据统计管理模块，中央数据统计管理模块用于管理弹道及射击成绩数据，根据预设状态对数据进行统计、分析和存储，并产生靶面起立或倒下的控制命令。

进一步地，所述信号处理机内部设置弹道及报靶数据数据处理模块，用于采用声信号计算子弹飞行的弹道及击中靶面的位置，获得射击弹道信息和成绩并传输给显示控制终端。

进一步地，所述声学传感器的数量大于3个。

优选的，所述声学传感器的数量为6-10个。

一种基于弹道波的自动报靶装置的着靶点测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置在固定底座上的声学传感器检测子弹产生的弹道波并转换为电信号输出；

声学调理仪对声学传感器输出的电信号进行调理输出数字信号；

信号处理机接收声学调理仪输出的数字信号，通过弹道及报靶数据处理模块获得弹道信息和射击成绩并传输；

显示控制终端对信号处理机传输的弹道信息和射击成绩数据进行处理并产生控制信息输出。

进一步地，所述弹道波为子弹飞行过程中在空气中激发的“N”波信号。

进一步地，所述弹道及报靶数据处理模块采用声信号计算子弹飞行的弹道及击中靶面的位置，获得弹道信息和射击的成绩。

进一步地，所述显示控制终端包括中央数据统计管理模块，所述中央数据 统计管理模块用于管理弹道及射击成绩数据，根据预设状态对数据进行统计、分析和存储，并产生靶面起立或倒下的控制命令，准备下一轮次的射击训练。

一种基于弹道波的弹道及报靶数据处理算法，其特征在于，包括：

在传感器布设的基座上建立坐标系，在该坐标系中，各传感器的坐标分别为r_i(x_i,y_i,z_i)，设弹道方向的单位向量为n₀(n_0x,n_0y,n_0z)；

在T＝0时刻，位于弹道上位置S₀(x₀,y₀,z₀)辐射出的弹道波首先到达声学传感器S₁，设过S₁的锥面的切平面为P，弹道波传播方向为n_k，各传感器到切平面P的距离为L_i＝r_i·n_k，各传感器接收到的声信号的时延为τ_i＝L_i/c，其中c为弹道波传播速度；

解以下矩阵方程，

得到弹道波传播方向n_k；

对于各传感器S_i和声源点S₀(x₀,y₀,z₀)，有如下关系：

解此方程组，即可得到声源点S₀(x₀,y₀,z₀)的位置；

过声学传感器S₁做垂直于弹道的直线，与弹道的交点为M，M点与S₀点的距离为r₀₁·sin(theta)；

由S₀点表示的M点的坐标为

其中，n₁(n_1x,n_1y,n_1z)为弹道轨迹方向；

解如下方程组：

即可确定n₁(n_1x,n_1y,n_1z)，得到弹道轨迹方向，结合S₀(x₀,y₀,z₀)的坐标值，即得到弹道轨迹；

由该弹道轨迹与靶平面方程联合求解，即得到子弹击中靶面的坐标点。

进一步地，所述传感器的数量i>3。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种基于弹道波的弹道及着靶点声学测量系统有以下优点：本发明不仅可以测量得到子弹着靶点位置，还可以得到子弹击中靶面前的飞行弹道信息，在多人训练中能有效分辨射击者的成绩；本发明声学传感器仅布设在靶面前弹道下方，射击时不容易误伤传感器，且传感器布设施工简单，不需要另外安装防护装置，后期维护工作大幅降低；由于不需要在靶面安装传感器和防弹钢板，使得靶面结构得以简化，靶架重量和体积大幅降低，起倒靶对驱动电机的力矩要求降低，电机购置成本降低。

附图说明

图1是本发明提出的基于弹道波的自动报靶装置的声信号检测装置结构示意图；

图2是本发明中的子弹辐射锥形波示意图；

图3是本发明提出的所述声学传感器接收到的“N”波示意图；

图4本发明提出的基于弹道波的自动报靶装置的数据传输结构图；

图5本发明提出的基于弹道波的自动报靶装置的设备连接示意图。

图6本发明提出的一种基于弹道波的弹道及报靶数据处理算法示意图。

具体实施方式

以下通结合说明书附图对本发明进行具体说明。

参见图1至图5，其中图1是本发明提出的基于弹道波的自动报靶装置的声信号检测装置结构示意图；图2是本发明中的子弹辐射锥形波示意图；图3是本发明提出的所述声学传感器接收到的“N”波示意图；图4是本发明提出的基于弹道波的报靶装置的数据传输结构图；图5是本发明提出的基于弹道波的报靶装置的设备连接示意图。

如图1至图5所示，一种基于弹道波的自动报靶装置，其特征在于，包括声信号检测装置、后台处理装置、显示控制终端和用于后台处理装置与显示控制终端进行数据通信的无线通信模块，所述声信号检测装置包括底座4、设置在底座4上的支撑结构3、与支撑结构3连接的靶框2和设置在底座4前方的掩体6，所述底座4上固定设置若干声学传感器5，所述声学传感器5的输出端连接用于对声信号进行采集调理转换为数字信号的声学调理仪，所述后台处理装置包括用于对声学传感器进行采集并转换为数字信号的声学调理仪、用于对声信号进行预处理的信号处理机，所述显示控制终端包括显示装置和中央数据统计管理模块，中央数据统计管理模块用于管理弹道及射击成绩数据，根据预设状态对数据进行统计、分析和存储，并产生靶面起立或倒下的控制命令。

高速飞行的子弹，在空气中摩擦会产生弹道波，该弹道波以锥形波的形式向四周扩散，并掠过传感器位置。

本发明实施例中，声学传感器设置在底座上，这样对于靶框上的着弹点1没有限制，不需要另外安装防护装置，后期维护工作大幅降低；由于不需要在靶面安装传感器和防弹钢板，使得靶面结构得以简化，靶架重量和体积大幅降低，起倒靶对驱动电机的力矩要求降低，电机购置成本降低。而且声学传感器设置在底座上，其高度低于设置在底座前方的掩体上，这样也可以防止子弹对声光传感器的损害，射击时不容易误伤传感器，且传感器布设施工简单，通过 后台处理装置对声学传感器进行采集调理分析，可以测量得到子弹着靶点位置，还可以得到子弹击中靶面前的飞行弹道信息，在多人训练中能有效分辨射击者的成绩，通过无线通信模块将后台处理装置处理的信息发到显示控制终端进行显示控制，不需要铺设传输线缆，操作使用方便。

本发明实施例中，信号处理机采用DSP和FPGA对接收的声信号进行处理，其中信号处理机内部设置采用声信号计算子弹飞行的弹道及击中靶面的位置，获得弹道信息和射击的成绩的弹道及报靶数据处理模块，所述显示控制终端包括显示装置及用于管理弹道及射击成绩数据，根据预设状态对数据进行统计、分析和存储，并产生靶面起立或倒下的控制命令的中央数据统计管理模块。

进一步地，所述声学传感器的数量大于3个。对于传感器数量n>3的情况，该方程组是冗余的，可以获得S₀(x₀,y₀,z₀)的较精确的解。优选的，所述声学传感器的数量为6-10个。

本发明实施例中，无线通信模块可以采用wifi、ZigBee、LoRa协议或“N”B-loT协议通信中的一种或多种，以能够实现后台处理装置和显示控制模块的无线通信为准，本发明对此不作具体限制。

一种基于弹道波的自动报靶装置的着靶点测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置在固定底座上的声学传感器检测子弹产生的弹道波并转换为电信号输出；

声学调理仪对声学传感器输出的电信号进行调理输出数字信号；

信号处理机接收声学调理仪输出的数字信号，通过弹道及报靶数据处理模块获得弹道信息和射击成绩并传输；

显示控制终端对信号处理机传输的弹道信息和射击成绩数据进行处理并产生控制信息输出。

其中所述弹道波为子弹飞行过程中在空气中激发的“N”波信号。

对于每一个声学传感器来说，接收到的声信号是一个类似于“N”形状的声波，简称“N”波信号。该信号具有比较陡峭的上升沿(前沿)，通常为数十微秒量级。

弹道波自子弹弹道开始扩散时，经过一定的时延，辐射的“N”波掠过各声学传感器。由于各传感器与子弹弹道的距离不同，各传感器接收到的“N”波时刻也就不同，这个时延的不同，代表了传感器距离子弹弹道的信息。经过解算，可以算出子弹飞行的弹道历史；进一步可以获得弹道与靶面的交汇点，从而获得射击的环数。

进一步地，所述弹道及报靶数据处理模块采用声信号计算子弹飞行的弹道及击中靶面的位置，获得弹道信息和射击的成绩。

上述技术方案中，显示控制终端包括中央数据统计管理模块，所述中央数据统计管理模块用于管理弹道及射击成绩数据，根据预设状态对数据进行统计、分析和存储，并产生靶面起立或倒下的控制命令，准备下一轮次的射击训练。

参见图6，为本发明提出的一种基于弹道波的弹道及报靶数据处理算法示意图。

如图6所示，一种基于弹道波的弹道及报靶数据处理算法，其特征在于，包括：

在传感器布设的基座上建立坐标系，在该坐标系中，各传感器的坐标分别为r_i(x_i,y_i,z_i)，设弹道方向的单位向量为n₀(n_0x,n_0y,n_0z)；

在T＝0时刻，位于弹道上位置S₀(x₀,y₀,z₀)辐射出的弹道波首先到达声学传感器S₁，设过S₁的锥面的切平面为P，弹道波传播方向为n_k，各传感器到切平面P的距离为L_i＝r_i·n_k，各传感器接收到的声信号的时延为τ_i＝L_i/c，其中c为弹道波传播速度；

解以下矩阵方程，

得到弹道波传播方向n_k；

对于各传感器S_i和声源点S₀(x₀,y₀,z₀)，有如下关系：

解此方程组，即可得到声源点S₀(x₀,y₀,z₀)的位置；

过声学传感器S₁做垂直于弹道的直线，与弹道的交点为M，M点与S₀点的距离为r₀₁·sin(theta)；

由S₀点表示的M点的坐标为

其中，n₁(n_1x,n_1y,n_1z)为弹道轨迹方向；

解如下方程组：

即可确定n₁(n_1x,n_1y,n_1z)，得到弹道轨迹方向，结合S₀(x₀,y₀,z₀)的坐标值，即得到弹道轨迹；

由该弹道轨迹与靶平面方程联合求解，即得到子弹击中靶面的坐标点。

进一步地，所述传感器的数量i>3。对于传感器数量n>3的情况，该方程组是冗余的，可以获得S₀(x₀,y₀,z₀)的较精确的解。

以上对本发明进行了详细介绍，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于弹道波的自动报靶装置，其特征在于，包括声信号检测装置、后台处理装置、显示控制终端和用于后台处理装置与显示控制终端进行数据通信的无线通信模块，所述声信号检测装置包括底座、设置在底座上的支撑结构、与支撑结构连接的靶框和设置在底座前方的掩体，所述底座上固定设置若干声学传感器，所述声学传感器的输出端连接用于对声信号进行采集调理转换为数字信号的声学调理仪，所述后台处理装置包括用于对声学传感器进行采集并转换为数字信号的声学调理仪和用于对声信号进行预处理的信号处理机，所述显示控制终端包括显示装置和中央数据统计管理模块，中央数据统计管理模块用于管理弹道及射击成绩数据，根据预设状态对数据进行统计、分析和存储，并产生靶面起立或倒下的控制命令。

2.根据权利要求1所述的一种基于弹道波的自动报靶装置，其特征在于，所述信号处理机内部设置弹道及报靶数据数据处理模块，用于采用声信号计算子弹飞行的弹道及击中靶面的位置，获得射击弹道信息和成绩并传输给显示控制终端。

3.根据权利要求2所述的一种基于弹道波的自动报靶装置，其特征在于，所述声学传感器的数量大于3个。

4.根据权利要求3所述的一种基于弹道波的自动报靶装置，其特征在于，所述声学传感器的数量为6-10个。

5.一种基于弹道波的自动报靶装置的着靶点测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置在固定底座上的声学传感器检测子弹产生的弹道波并转换为电信号输出；

声学调理仪对声学传感器输出的电信号进行调理输出数字信号；

信号处理机接收声学调理仪输出的数字信号，通过弹道及报靶数据处理模块获得弹道信息和射击成绩并传输；

显示控制终端对信号处理机传输的弹道信息和射击成绩数据进行处理并产生控制信息输出。

6.根据权利要求5所述的一种基于弹道波的自动报靶装置的着靶点测量方法，其特征在于，所述弹道波为子弹飞行过程中在空气中激发的“N”波信号。

7.根据权利要求6所述的一种基于弹道波的自动报靶装置的着靶点测量方法，其特征在于，所述弹道及报靶数据处理模块采用声信号计算子弹飞行的弹道及击中靶面的位置，获得弹道信息和射击的成绩。

8.根据权利要求6所述的一种基于弹道波的自动报靶装置的着靶点测量方法，其特征在于，所述显示控制终端包括中央数据统计管理模块，所述中央数据统计管理模块用于管理弹道及射击成绩数据，根据预设状态对数据进行统计、分析和存储，并产生靶面起立或倒下的控制命令，准备下一轮次的射击训练。

9.一种基于弹道波的弹道及报靶数据处理算法，其特征在于，包括：

在传感器布设的基座上建立坐标系，在该坐标系中，各传感器的坐标分别为r_i(x_i,y_i,z_i)，设弹道方向的单位向量为n₀(n_0x,n_0y,n_0z)；

在T＝0时刻，位于弹道上位置S₀(x₀,y₀,z₀)辐射出的弹道波首先到达声学传感器S₁，设过S₁的锥面的切平面为P，弹道波传播方向为n_k，各传感器到切平面P的距离为L_i＝r_i·n_k，各传感器接收到的声信号的时延为τ_i＝L_i/c，其中c为弹道波传播速度；

解以下矩阵方程，

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& z_1\\ & ...& \\ x_i& y_i& z_i\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{n}_{kx}\\ n_{ky}\\ n_{kz}\end{array}\right]=c\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_1\\ ...\\ {\mathrm{\τ}}_i\end{array}\right]$

得到弹道波传播方向n_k；

对于各传感器S_i和声源点S₀(x₀,y₀,z₀)，有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_0-x_1\right)}^2+{\left(y_0-y_1\right)}^2+{\left(z_0-z_1\right)}^2=r_{01}^2\\ {\left(x_0-x_2\right)}^2+{\left(y_0-y_2\right)}^2+{\left(z_0-z_2\right)}^2={\left(r_{01}+r_{12}\right)}^2\\ ......\\ {\left(x_0-x_n\right)}^2+{\left(y_0-y_n\right)}^2+{\left(z_0-z_n\right)}^2={\left(r_{01}+r_{1n}\right)}^2\end{array}\right.$

解此方程组，即可得到声源点S₀(x₀,y₀,z₀)的位置；

过声学传感器S₁做垂直于弹道的直线，与弹道的交点为M，M点与S₀点的距离为r₀₁·sin(theta)；

由S₀点表示的M点的坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_M=x_0+r_{01}\·\sin \left(theta\right)\·n_{1x}\\ y_M=y_0+r_{01}\·\sin \left(theta\right)\·n_{1y}\\ z_M=z_0+r_{01}\·\sin \left(theta\right)\·n_{1z}\end{array}\right.$

其中，n₁(n_1x,n_1y,n_1z)为弹道轨迹方向；

解如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}(x_1-x_M)+(y_1-y_M)+(z_1-z_M)=0\\ n_{1x}{n}_{kx}+n_{1y}{n}_{ky}+n_{1z}{n}_{kz}=sin\left(theta\right)\\ n_{1x}^2+n_{1y}^2+n_{1z}^2=1\end{array}\right.$

即可确定n₁(n_1x,n_1y,n_1z)，得到弹道轨迹方向，结合S₀(x₀,y₀,z₀)的坐标值，即得到弹道轨迹；

由该弹道轨迹与靶平面方程联合求解，即得到子弹击中靶面的坐标点。

10.根据权利要求9所述的一种基于弹道波的弹道及报靶数据处理算法，其特征在于，所述传感器的数量i>3。