全向多部位立体报靶关键技术研究_李睿.pdf

理论算法2022.24540 引言随着军事射击训练朝着真实化、战术化、智能化的方向发展，传统的固定式平面靶标无法满足新的训练要求，因此需要一种能够在全方向入射条件下实现立体靶标多部位（头、胸、腹、心脏等）报靶方法。目前能够稳定可靠实现全向多部位立体报靶的技术手段很有限。本文基于导声腔结构，研究了基于振动+激波复合检测技术的命中部位检测技术和实现方法，可实现高正确率、高可靠性、低成本的检测方案。1 立体报靶方法1.1 导声腔定位原理人形立体多部位报靶技术原理为采用振动、激波复合检测的方法测量振动信号与激波触发信号的时间差，从而确定射击命中部位。具体方法为采用底部安装有激波传感器，外层具有导振功能的柱状导声腔，检测子弹命中导声腔外层产生的振动信号与子弹射入桶内产生的激波信号的到达时间差，以计算出子弹命中导声腔的高度位置，从而确定射击命中的部位。振动信号激波信号加速度传感器激波传感器导声腔导振外层L图 1 柱状导声腔结构及原理如上图所示，当子弹命中硬质外层时，将产生一个振动信号，该信号将沿着导声腔外层传递至加速度传感器，设命全向多部位立体报靶关键技术研究李睿，叶杨（融通科学院第六十研究所（原中国人民解放军总参谋部第六十研究所），江苏南京，210000）摘要：如何实现在全向入射条件下的命中部位判定是实现立体多部位报靶技术的关键。本文对振动、激波复合检测实现多部位报靶的方法进行了研究，并对导声腔设计、传感器布设及激波信号处理等关键技术进行了深入分析和研究，给出了实现全向入射多部位立体报靶的可行性方案。关键词：立体报靶；全向入射；振动检测；激波检测；小波分析中图分类号：TN935.21 文献标识码：AResearchonkeytechnologiesofomnidirectionalandmulti-positionstereotargetreportingLi Rui,Ye Yang(The 60th Research Institute of Rongtong Academy of Sciences(formerly the 60th Research Institute of the General Staff of the Chinese People s Liberation Army),Nanjing Jiangsu,210000)Absrtact:How to determine the hit location under omnidirectional incidence is the key to realize stereo multi location target reporting technology.In this paper,the method of realizing multi position target reporting by vibration and shock wave combined detection is studied,and the key technologies such as acoustic guide cavity design,sensor layout and shock wave signal processing are deeply analyzed and studied,and the feasibility scheme of realizing omnidirectional incidence multi position stereo target reporting is given.Keywords:stereoscopic target reporting;Omnidirectional incidence;Vibration detection;Shock wave detection;wavelet analysisDOI:10.16520/ki.1000-8519.2022.24.038理论算法2022.2455中位置与加速度传感器间距离为 L1。当子弹射入导声腔内，将产生一个激波信号，该信号沿导声腔向下传递至激波传感器，设子弹命中位置与激波传感器间距离为 L2。由于振动信号在硬质材料中传播的速度远远高于激波在空气中传播的速度（如振动在硬质 ABS 塑料材质中的传播速度约为 2500m/s，激波在空气中传播的速度约为 340m/s），因此可以有近似L1 L2=L，即子弹命中位置的高度。设加速度传感器与激波传感器各自接收到信号的时间差为 T，则可以建立如下等式：LLTcv=（1）其中 V 为振动信号在硬质外层中的传播速度，c 为声速，因此求得子弹命中的高度位置()/LT VcVc=。1.2 立体靶标设计依据导声腔定位原理，可将立体靶标设计内部带隔腔的中空形式、部位划分方法依据命中的导声腔及定位高度，划分为头部、胸部、腹部及心脏 4 个部位，具体高度划分如图 2 所示。设连通头部的导声腔对应的激波传感器为 1 号，另一个为 2 号，与之对应的，在振动传感器触发的前提下，不同命中状态下的部位判定的方法为：(1)当 1 号传感器触发，2 号传感器不触发时：1)当命中位置高度 L3 L L4 时，判定为头部；2)当命中位置高度 L1 L L3 时，判定为胸部；3)当命中位置高度 0 L L1 时，判定为腹部。(2)当 2 号传感器触发，1 号传感器不触发时：1)当命中位置高度 L2 L L3 时，判定为胸部；2)当命中位置高度 L1 L L2，判定为心脏；3)当命中位置高度 0 L L1，判定为腹部。(3)当 1 号、2 号传感器都触发时：1)当命中位置高度 L3 L L4 时，判定为头部；2)当命中位置高度 L2 L L3 时，判定为胸部；3)当命中位置高度 L1 L L2，判定为心脏；4)当命中位置高度 0 L L1，判定为腹部；5)当两个导声腔判定的部位不同时，判定优先级为：头部心脏胸部腹部。当 1 号、2 号传感器都不触发时判定为：脱靶。1.3 导声腔定位误差分析以理想的圆柱体为例，如果加速度传感器 P 安装在某一侧的外壁上，则在同一命中高度 L，距离传感器最近及最远的点分别为点 A 和点 B，因此振动信号的最短传递路径分别为直线 AP 及曲线 BP，经计算可知：APL=（2）22BP2RL=+（3）加速度传感器ABPL图 3 理想圆柱体导声腔当导声腔直径 R 固定时，则得到传递路程差 L=BP AP，该路程差造成的定位高度偏差 H 为：222RcHLLvc=+（4）取 c=340m/s、v=3000m/s、R=0.15m，高度定位偏差随命中高度增加单调递减，在靶标高度范围的所有高度位置，定位偏差均在 3cm 以下，当命中高度大于 30cm 以上时，定位偏差小于 1cm。1.4 工作流程依据设计方案，需要检测的信号为加速度传感器的触发信号及激波触发信号、加速度传感器采用已在组合命中报靶课题中应用的 AD 公司生产的 ADXL1002 加速度传感器，该传感器采用 MEMS 工艺，噪声性能已经接近传统的压电式加速度传感器，输出为模拟电压信号具有从直流到 11kHz 的线性频率响应范围（3dB 点）、单电源供电、低功耗、工作温度范围在-40至 150等优点，充分满足检测需求。激波传感器采用成熟的压电式超声传感器，可选用市面出售的货架产品，谐振频率为40kHz，检测方式为幅度阈值检测。时差计算基于 STM32 平台实现，采用振动信号作为外部中断触发源，控制内部计数器计数。1.5 信号处理当子弹命中靶标外壳产生一个振动信号时，由于靶标腔图 2 立体靶腔分割结构理论算法2022.2456体内部的激波传感器与靶标外壳存在机械连接，因此该振动信号会不可避免地耦合到激波信号的检测通道中，当这个耦合信号的幅度超过检测阈值时（子弹命中靶标的位置越低概率越高），造成时差测量的误差。通道 2 采样的激波信号在到达前沿之前存在一个干扰信号即为振动耦合信号，该信号在频域上更靠近低频。为了保证部位判定的成功率，必须滤除激波信号中的振动耦合信号。为了保证滤波效果，并尽可能保证激波信号的完整性，采用小波变换的方法对信号进行时频域分析，分离出激波信号。小波变换与傅里叶变换相似，利用类似正/余弦函数的一族函数来表示信号，即小波函数系。这个小波函数系与正/余弦函数不同，由一个基本小波函数通过平移和伸缩组成的。设()2LR为一个平方可积的实数空间，对小波基函数()t做伸缩和平移，有：(),1a btbtaa=（5）式中，a 为尺度因子；b 为平移因子。变量 a 反映该函数的尺度，变量 b 用来表达小波函数在 t 轴上的平移位置。如果在()2LR定义一个积分小波变换 Wf：()()()1/2,0ftbWa baf tdta bR aa=（6）对应的二进离散小波变换为：()()()()/2,22 ,jjfWj kf ttk dtj kZ=（7）则小波系数,j kC由,j kj kCf=给出：,1,22j kfjjkCW=（8）其重构公式为：()(),1,22fj kjjjkkf tWt=（9）上述公式即为小波包重构算法公式。通过使用该公式对不同频段的信号进行重构，从而达到分离振动信号和激波信号的目的。激波采样信号经过上述处理后，舍弃干扰信号存在的频带，并对信号进行重构。激波信号经滤波后，干扰信号明显衰减，已不能影响判定结果。1.6 自适应阈值设定为有效检测子弹激波到达的准确时间并计算出精确的时差值，避免阈值过大或过小使时差估计偏大或偏小，需根据采样数据自适应的选取合适的阈值。振动信号开始触发到检测到激波信号之前，传感器采集到的是噪声信号数据，符合高斯分布。根据拉依达法则，数值分布在（-，+）区间中概率为 0.6827，超出这一范围时，可以认为激波信号已经到达。为选择合适的有效数据段计算阈值大小，取最大高度为 L 时，计算出此时的最大时差 dt，根据 N=dt*Fs（Fs 为采样频率）计算出所需最小的采样点，以此采样点之前的数据为有效数据段，选取 1,2 通道最大值作为自适应阈值。2 测试结果根据上述方案设计了验证原理样机，并进行了实弹射击测试。立体靶标外壳采用具有收缩特性的 ABS 塑料材质。样机经实弹射击，并采集各路传感器的信号。由于子弹命中高度的原因，振动信号明显与激波信号存在到达时差，且时差大小与高度成正比；同时，子弹命中的一侧腔体内的激波信号明显强于另一侧，由此可实现子弹命中部位的判定。样机经多轮测试，得到部位定位结果如下表所示。可以看到在 92 手枪（9mm）30 发射击测试中，部位判定正确率100%，高度判定偏差不超过 40mm。表 1 原理样机实弹测试结果序号 时差/us计算高度/mm实际高度/mm高度误差/mm判定部位 实际部位11778655657-2头头2136748346518心脏心脏312574374370心脏心脏4159257756314胸部胸部5935302306-4胸部胸部61964732750-18头头7185068564837头头8185568664937头头9211078875533头头10130245643422胸部胸部11147752951217胸部胸部1284726524520腹部腹部1372521419519腹部腹部1413814894863心脏心脏151336470487-17心脏心脏16673193215-22腹部腹部1783826223923腹部腹部18134547445519胸部胸部191035346355-9胸部胸部201179405412-7胸部胸部21770234246-12腹部腹部227082082071腹部腹部231994745760-15头头24205276975019头头251506541550-9心脏心脏26141050147427心脏心脏2799832931316腹部腹部28754227237-10腹部腹部2981425223022腹部腹部3066819016822腹部腹部3 结论本文采用的基