CN109737819A - 一种火箭弹、航弹声学自动报靶器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，包括声传感器阵列、无线数传电台、数据处理系统和终端；本发明的有益效果在于，首先，避免了人工报靶的危险性和不确定性；其次，成本低，安装方便，维护方便；此外，可适应恶劣气候环境使用；最后，响应快、探测范围大，可对直径100米内的靶面进行较精确的定位，精度控制在0.1m以内，完全满足航空兵火箭弹、航弹报靶要求。

Description

一种火箭弹、航弹声学自动报靶器

技术领域

本发明涉及声学自动定位领域，尤其涉及一种火箭弹、航弹声学自动报靶器。

背景技术

航空兵对地实弹打靶是战斗力生成的重要因素，准确、及时采集打靶成绩对训练效果的评估和作训方法的改进具有重要的意义。然而航空兵实弹打靶有别于一般的轻武器射击，其区别在于：1.有时要在恶劣气象条件下进行；2.打靶不分昼夜全天候进行；3.靶面区域半径大，可达数十米； 4.火箭弹或航弹杀伤半径大，对报靶精度的要求并不苛刻。

目前，有关武器射击报靶方式主要有以下几种：一是人工事后报靶。这种作业方式危险性大，费时、费力，并且对多弹同孔的情况容易出现误报或漏报。二是采用光电报靶。中国专利(授权号CN104634186B)提出，通过在地靶上方适当位置设置激光靶面，探测弹丸穿过激光靶面的位置，解析弹丸在地靶上的着弹点位置。这种设备报靶精度高，但是硬件结构复杂，容易被飞溅物干扰，对安装调试要求大，并且成本高。三是利用图像识别报靶。中国专利(授权号CN106802113B)设计出基于多弹孔模式识别算法的智能报靶系统和方法，这种方法计算量较大、易受气象条件限制，一般不适合在户外恶劣环境中使用。四是采用声学定位报靶。声学定位基本原理是探测弹丸落地后激波到达各声传感器的时间延迟，并根据传感器阵列的几何关系计算出落地点的位置。中国专利(授权号CN102435106B) 提出一种基于弹丸激波宽带的报靶系统，这种算法需要事先知道背景环境噪声，抗噪能力较差。中国专利“激波报靶系统”(公开号CN1967136A) 公开了基于时延估计的定位技术，该算法要求弹丸垂直入射靶面，并且可探测靶面区域小，不适合大靶面报靶使用。虽然声学定位法存在一些不足，但是这种算法的计算量比较少、成本低、受气象条件影响小、易于实现，在采用一定的优化算法条件下可扩大报靶范围和提升定位精度，比较适合航空兵实弹报靶。因此，本发明将采用声学定位技术来设计一种适合火箭弹、航弹声学自动报靶器。

发明内容

本发明采用声学定位技术，提供一种适用于恶劣气象环境下的火箭弹、航弹声学自动报靶器，该报靶器避免了人工报靶的危险性和不确定性，具有响应快、探测范围大、精度较高、成本低的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，包括声传感器阵列、无线数传电台、数据处理系统和终端；一对所述的声传感器阵列与所述的数据处理系统连接；两个所述的无线数传电台分别与数据处理系统连接和终端连接；两个所述的无线数传电台之间通过无线通信方式连接。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，每个所述的声传感器阵列包括6个声传感器；所述的声传感器阵列连线为正六棱柱，且两个所述的声传感器阵列对称分布；所述的正六棱柱上表面边线上均匀设置有3个所述的声传感器，所述的正六棱柱下表面边线上均匀设置有3个所述的声传感器，且上表面所述的声传感器和下表面所述的声传感器交错分布。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，所述的声传感器设置在所述的正六棱柱顶点位置，且所述的声传感器通过针脚与微电路板连接。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，所述的声传感器为 CHZ-213声传感器。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，所述的无线数传电台为 GE MDS 2710型电台。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，所述的数据处理系统包括电源、变压器和微电路板；所述的电源为12V锂电池组；所述的电源经所述的变压器为12个所述的声传感器和微电路板提供电力。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，所述的微电路板由放大电路、滤波电路、模数转换电路、FPGA和单片机组成。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，所述的FPGA采用英特尔Stratix10芯片。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，所述的单片机采用 STM32F103ZET6芯片。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，所述的终端为计算机。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，假设12个所述的声传感器分别为s1，s2，s3，s4，s5，s6与s7，s8，s9，s10，s11，s12；根据几何关系，12个所述的声传感器坐标分别为s1(-a-b,0,0)，s2(a/2-b,-acos30°,0)， s3(a/2-b,acos30°,0)，s4(-a/2-b,-acos30°,h)，s5(a-b,0,h)，s6(-a/2-b,acos30°,h)， s7(a+b,0,0)，s8(b-a/2,-acos30°,0)，s9(b-a/2,acos30°,0)，s10(b+a/2,-acos30°,h)， s11(b-a,0,h)，s12(b+a/2,acos30°,h)。

其中，a为所述的正六棱柱边长，h为所述的正六棱柱高度，b为所述的正六棱柱中心与对称面之间的距离。

上述的火箭弹、航弹声学自动报靶器，其中，假设火箭弹落地点的坐标p(x,y,0)，12个所述的声传感器与所述的落地点之间的几何关系为：

其中，Vp为激波沿靶面传播速度，t_i(i＝1,2,3...10,11,12)为第i台所述的声传感器测得的激波到达时间。

通过迭代解法求解多元非线性方程组得到a、b、h的近似值，然后代入上述方程组求解落地点的坐标p(x,y,0)，从而得到所述落地点的位置。

综上所述，本发明的有益效果在于，首先，避免了人工报靶的危险性和不确定性；其次，成本低，安装方便，维护方便；此外，可适应恶劣气候环境使用；最后，响应快、探测范围大，可对直径100米内的靶面进行较精确的定位，精度控制在0.2m以内，完全满足航空兵火箭弹、航弹报靶要求。

附图说明

图1是本发明火箭弹、航弹声学自动报靶器的结构原理图。

图2是本发明火箭弹、航弹声学自动报靶器左右对称12点立体阵三维结构示意图。

图3是本发明火箭弹、航弹声学自动报靶器左右对称12点立体阵俯视平面示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

请参见附图1至附图3所示，本发明一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，包括声传感器阵列2、无线数传电台3、数据处理系统4和终端5；一对所述的声传感器阵列2与所述的数据处理系统4连接；两个所述的无线数传电台 3分别与数据处理系统连接4和终端5连接；两个所述的无线数传电台3之间通过无线通信方式连接。

每个所述的声传感器阵列2包括6个声传感器1；所述的声传感器阵列2 连线为正六棱柱21，且两个所述的声传感器阵列2对称分布；所述的正六棱柱21上表面边线上均匀设置有3个所述的声传感器1，所述的正六棱柱21 下表面边线上均匀设置有3个所述的声传感器1，且上表面所述的声传感器1和下表面所述的声传感器1交错分布。

所述的声传感器1设置在所述的正六棱柱21顶点位置，且所述的声传感器1通过针脚与微电路板连接。

所述的声传感器1为CHZ-213声传感器，在使用之前需要对其进行标定、校准、筛选出性能良好，并且性能较一致的产品，以降低产品自身误差对计算结果的影响。

所述的无线数传电台3为GE MDS 2710型电台，该电台能在恶劣环境中使用，具有可靠性高、灵敏度高、误码率低、传输距离远的特点，非常适合户外打靶条件下使用。

所述的数据处理系统4包括电源、变压器和微电路板；为了方便室外环境使用，所述的电源采用锂电池组，且输出额定电压为12v，经所述的变压器变换，可为12个所述的声传感器1提供1.5V直流电，并为所述的微电路板提供5V直流电。

所述的微电路板由放大电路、滤波电路、模数转换电路、FPGA和单片机组成；所述的微电路板主要用于数据处理，其工作流程是：所述的声传感器1接收声音产生的微弱电压信号，通过电路进入所述的微电路板；所述的微电路板将电压信号放大、滤波，并经所述的模数电路转换成能被 FPGA识别的脉冲信号；所述的FPGA根据脉冲信号计算出激波到达各所述声传感器1的时间差，传送给所述单片机，并发送给与所述的数据处理系统4连接的所述无线数传电台3。

所述的FPGA采用英特尔Stratix10芯片，该芯片性能优异，计算速度块，延时短，能够快速计算出激波到达各声传感器的时间差，并传递给单片机。

所述的单片机采用STM32F103ZET6芯片，该芯片具有高性能、低成本、低功耗的优点，它完成对所述的微电路板、12个所述的声传感器1和与所述数据处理系统4连接的所述无线数传电台3的控制，并将所述的FPGA发送过来的数据传递给与所述的数据传输系统4连接的所述无线数传电台3。

所述的终端5为计算机；所述的终端5与所述的无线数传电台3连接，用于控制整个系统的工作状态，接收与所述的终端5连接的所述无线数传电台3传来的数据，并通过所述的终端5上安装的软件程序，求解落地点的位置并实时显示。

假设12个所述的声传感器分别为s1，s2，s3，s4，s5，s6与s7，s8，s9， s10，s11，s12；根据几何关系，12个所述的声传感器坐标分别为s1(-a-b,0,0)， s2(a/2-b,-acos30°,0)，s3(a/2-b,acos30°,0)，s4(-a/2-b,-acos30°,h)，s5(a-b,0,h)， s6(-a/2-b,acos30°,h)，s7(a+b,0,0)，s8(b-a/2,-acos30°,0)，s9(b-a/2,acos30°,0)， s10(b+a/2,-acos30°,h)，s11(b-a,0,h)，s12(b+a/2,acos30°,h)。

其中，a为所述的正六棱柱21边长，h为所述的正六棱柱21高度，b为所述的正六棱柱21中心与对称面之间的距离。

假设火箭弹落地点的坐标p(x,y,0)，12个所述的声传感器与所述的落地点之间的几何关系为：

其中，Vp为激波沿靶面传播速度，t_i(i＝1,2,3...10,11,12)为第i台所述的声传感器1测得的激波到达时间。

通过迭代解法求解多元非线性方程组得到a、b、h的近似值，然后代入上述方程组求解落地点的坐标p(x,y,0)，从而得到所述落地点的位置。

工作原理：首先，利用12个所述的声传感器1探测弹丸落地后激波到达各所述声传声器1的时间延迟，并根据所述的声传感器阵列2的几何关系，将所述的声传感器1探测的信号通过所述的数据处理系统4处理，并通过与所述的数据处理系统4连接的无线数传电台3发射出去，然后，所述的终端5连接的所述无线数传电台3接收发射来的数据，并将数据传送到终端 5，最后，利用所述的终端5计算出落地点的位置。

综上所述，本发明采用声学定位技术，提供一种适用于恶劣气象环境下的火箭弹、航弹声学自动报靶器，该报靶器避免了人工报靶的危险性和不确定性，而且具有响应快、探测范围大、精度较高、成本低的特点，具有一定的实用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明的技术方案之内所作出的修改、等同替换或改进，直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：包括声传感器阵列(2)、无线数传电台(3)、数据处理系统(4)和终端(5)；一对所述的声传感器阵列(2)与所述的数据处理系统(4)连接；两个所述的无线数传电台3分别与数据处理系统连接(4)和终端(5)连接；两个所述的无线数传电台(3)之间通过无线通信方式连接。

2.根据权利要求1所述的一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：每个所述的声传感器阵列(2)包括6个声传感器(1)；所述的声传感器阵列(2)连线为正六棱柱(21)，且两个所述的声传感器阵列(2)对称分布；所述的正六棱柱(21)上表面边线上均匀设置有3个所述的声传感器(1)，所述的正六棱柱(21)下表面边线上均匀设置有3个所述的声传感器(1)，且上表面所述的声传感器(1)和下表面所述的声传感器(1)交错分布。

3.根据权利要求1所述的一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：所述的声传感器(1)设置在所述的正六棱柱(21)顶点位置，且所述的声传感器(1)通过针脚与微电路板连接。

4.根据权利要求1所述的一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：所述的声传感器(1)为CHZ-213声传感器。

5.根据权利要求1所述的一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：所述的无线数传电台(3)为GE MDS 2710型电台。

6.根据权利要求1所述的一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：所述的数据处理系统(4)包括电源、变压器和微电路板；所述的电源为12V锂电池组；所述的电源经所述的变压器为12个所述的声传感器(1)和微电路板提供电力；。

7.根据权利要求1所述的一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：所述的微电路板由放大电路、滤波电路、模数转换电路、FPGA和单片机组成；所述的FPGA采用英特尔Stratix10芯片，所述的单片机采用STM32F103ZET6芯片。

8.根据权利要求1所述的一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：所述的终端(5)为计算机。

9.根据权利要求1所述的一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：假设12个所述的声传感器(1)分别为s1，s2，s3，s4，s5，s6与s7，s8，s9，s10，s11，s12；根据几何关系，12个所述的声传感器坐标分别为s1(-a-b,0,0)，s2(a/2-b,-acos30°,0)，s3(a/2-b,acos30°,0)，s4(-a/2-b,-acos30°,h)，s5(a-b,0,h)，s6(-a/2-b,acos30°,h)，s7(a+b,0,0)，s8(b-a/2,-acos30°,0)，s9(b-a/2,acos30°,0)，s10(b+a/2,-acos30°,h)，s11(b-a,0,h)，s12(b+a/2,acos30°,h)。

其中，a为所述的正六棱柱(21)边长，h为所述的正六棱柱(21)高度，b为所述的正六棱柱(21)中心与对称面之间的距离。

10.根据权利要求1所述的一种火箭弹、航弹声学自动报靶器，其特征在于：假设火箭弹落地点的坐标p(x,y,0)，12个所述的声传感器与所述的落地点之间的几何关系为：

其中，Vp为激波沿靶面传播速度，t_i(i＝1,2,3...10,11,12)为第i台所述的声传感器(1)测得的激波到达时间。

通过迭代解法求解多元非线性方程组得到a、b、h的近似值，然后代入上述方程组求解落地点的坐标p(x,y,0)，从而得到所述落地点的位置。