本發(fā)明涉及一種聲學(xué)測量系統(tǒng)，具體涉及一種基于彈道波自動的報(bào)靶裝置、測量方法及數(shù)據(jù)處理算法。

背景技術(shù)：

射擊訓(xùn)練在軍隊(duì)、公安、武警等系統(tǒng)是常規(guī)訓(xùn)練。射擊時的命中情況統(tǒng)計(jì)常規(guī)上靠人工查讀靶紙上的環(huán)數(shù)，20世紀(jì)90年代以后出現(xiàn)用聲學(xué)傳感器測量中靶環(huán)數(shù)的自動報(bào)靶系統(tǒng)。

原有聲學(xué)自動報(bào)靶系統(tǒng)的原理是：在靶框四邊布設(shè)8個聲學(xué)傳感器，子彈擊中靶板時，從擊中點(diǎn)向四周輻射聲信號，由于擊中點(diǎn)到四邊各聲學(xué)傳感器的距離不同，各傳感器接收到的聲信號的時間就不一致，利用該聲信號到達(dá)各傳感器的時間差，依據(jù)一定的算法，確定擊中點(diǎn)位置，從而報(bào)出本次射擊的環(huán)數(shù)。

上述聲學(xué)自動報(bào)靶系統(tǒng)存在以下諸多缺點(diǎn)：要防止子彈擊中聲學(xué)傳感器，需要在靶架上安裝防彈鋼板，靶架加工費(fèi)用高、難度大；加裝傳感器和防彈鋼板的靶架重量和體積都大增，在起倒靶中需要力矩更大的驅(qū)動電機(jī)，野外使用時需要更大的電源容量；防彈鋼板被子彈多次擊中后，仍需要更換，后期維護(hù)費(fèi)用高；該系統(tǒng)僅能獲得子彈著靶點(diǎn)，不能獲得子彈彈道信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有聲學(xué)自動報(bào)靶系統(tǒng)存在技術(shù)的缺陷，提出了一種基于彈道波自動的報(bào)靶裝置、測量方法及數(shù)據(jù)處理算法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于彈道波的自動報(bào)靶裝置，其特征在于，包括聲信號檢測裝置、后臺處理裝置、顯示控制終端和用于后臺處理裝置與顯示控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的無線通信模塊，所述聲信號檢測裝置包括底座、設(shè)置在底座上的支撐結(jié)構(gòu)、與支撐結(jié)構(gòu)連接的靶框和設(shè)置在底座前方的掩體，所述底座上固定設(shè)置若干聲 學(xué)傳感器，所述聲學(xué)傳感器的輸出端連接用于對聲信號進(jìn)行采集調(diào)理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的聲學(xué)調(diào)理儀，所述后臺處理裝置包括用于對聲學(xué)傳感器進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的聲學(xué)調(diào)理儀和用于對聲信號進(jìn)行預(yù)處理的信號處理機(jī)，所述顯示控制終端包括顯示裝置和中央數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理模塊，中央數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理模塊用于管理彈道及射擊成績數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)狀態(tài)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和存儲，并產(chǎn)生靶面起立或倒下的控制命令。

進(jìn)一步地，所述信號處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊，用于采用聲信號計(jì)算子彈飛行的彈道及擊中靶面的位置，獲得射擊彈道信息和成績并傳輸給顯示控制終端。

進(jìn)一步地，所述聲學(xué)傳感器的數(shù)量大于3個。

優(yōu)選的，所述聲學(xué)傳感器的數(shù)量為6-10個。

一種基于彈道波的自動報(bào)靶裝置的著靶點(diǎn)測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

設(shè)置在固定底座上的聲學(xué)傳感器檢測子彈產(chǎn)生的彈道波并轉(zhuǎn)換為電信號輸出；

聲學(xué)調(diào)理儀對聲學(xué)傳感器輸出的電信號進(jìn)行調(diào)理輸出數(shù)字信號；

信號處理機(jī)接收聲學(xué)調(diào)理儀輸出的數(shù)字信號，通過彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)處理模塊獲得彈道信息和射擊成績并傳輸；

顯示控制終端對信號處理機(jī)傳輸?shù)膹椀佬畔⒑蜕鋼舫煽償?shù)據(jù)進(jìn)行處理并產(chǎn)生控制信息輸出。

進(jìn)一步地，所述彈道波為子彈飛行過程中在空氣中激發(fā)的“N”波信號。

進(jìn)一步地，所述彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)處理模塊采用聲信號計(jì)算子彈飛行的彈道及擊中靶面的位置，獲得彈道信息和射擊的成績。

進(jìn)一步地，所述顯示控制終端包括中央數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理模塊，所述中央數(shù)據(jù) 統(tǒng)計(jì)管理模塊用于管理彈道及射擊成績數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)狀態(tài)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和存儲，并產(chǎn)生靶面起立或倒下的控制命令，準(zhǔn)備下一輪次的射擊訓(xùn)練。

一種基于彈道波的彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)處理算法，其特征在于，包括：

在傳感器布設(shè)的基座上建立坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中，各傳感器的坐標(biāo)分別為r_i(x_i,y_i,z_i)，設(shè)彈道方向的單位向量為n₀(n_0x,n_0y,n_0z)；

在T＝0時刻，位于彈道上位置S₀(x₀,y₀,z₀)輻射出的彈道波首先到達(dá)聲學(xué)傳感器S₁，設(shè)過S₁的錐面的切平面為P，彈道波傳播方向?yàn)閚_k，各傳感器到切平面P的距離為L_i＝r_i·n_k，各傳感器接收到的聲信號的時延為τ_i＝L_i/c，其中c為彈道波傳播速度；

解以下矩陣方程，

得到彈道波傳播方向n_k；

對于各傳感器S_i和聲源點(diǎn)S₀(x₀,y₀,z₀)，有如下關(guān)系：

解此方程組，即可得到聲源點(diǎn)S₀(x₀,y₀,z₀)的位置；

過聲學(xué)傳感器S₁做垂直于彈道的直線，與彈道的交點(diǎn)為M，M點(diǎn)與S₀點(diǎn)的距離為r₀₁·sin(theta)；

由S₀點(diǎn)表示的M點(diǎn)的坐標(biāo)為

其中，n₁(n_1x,n_1y,n_1z)為彈道軌跡方向；

解如下方程組：

即可確定n₁(n_1x,n_1y,n_1z)，得到彈道軌跡方向，結(jié)合S₀(x₀,y₀,z₀)的坐標(biāo)值，即得到彈道軌跡；

由該彈道軌跡與靶平面方程聯(lián)合求解，即得到子彈擊中靶面的坐標(biāo)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述傳感器的數(shù)量i>3。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出的一種基于彈道波的彈道及著靶點(diǎn)聲學(xué)測量系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明不僅可以測量得到子彈著靶點(diǎn)位置，還可以得到子彈擊中靶面前的飛行彈道信息，在多人訓(xùn)練中能有效分辨射擊者的成績；本發(fā)明聲學(xué)傳感器僅布設(shè)在靶面前彈道下方，射擊時不容易誤傷傳感器，且傳感器布設(shè)施工簡單，不需要另外安裝防護(hù)裝置，后期維護(hù)工作大幅降低；由于不需要在靶面安裝傳感器和防彈鋼板，使得靶面結(jié)構(gòu)得以簡化，靶架重量和體積大幅降低，起倒靶對驅(qū)動電機(jī)的力矩要求降低，電機(jī)購置成本降低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的基于彈道波的自動報(bào)靶裝置的聲信號檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中的子彈輻射錐形波示意圖；

圖3是本發(fā)明提出的所述聲學(xué)傳感器接收到的“N”波示意圖；

圖4本發(fā)明提出的基于彈道波的自動報(bào)靶裝置的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖；

圖5本發(fā)明提出的基于彈道波的自動報(bào)靶裝置的設(shè)備連接示意圖。

圖6本發(fā)明提出的一種基于彈道波的彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)處理算法示意圖。

具體實(shí)施方式

以下通結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明進(jìn)行具體說明。

參見圖1至圖5，其中圖1是本發(fā)明提出的基于彈道波的自動報(bào)靶裝置的聲信號檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中的子彈輻射錐形波示意圖；圖3是本發(fā)明提出的所述聲學(xué)傳感器接收到的“N”波示意圖；圖4是本發(fā)明提出的基于彈道波的報(bào)靶裝置的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明提出的基于彈道波的報(bào)靶裝置的設(shè)備連接示意圖。

如圖1至圖5所示，一種基于彈道波的自動報(bào)靶裝置，其特征在于，包括聲信號檢測裝置、后臺處理裝置、顯示控制終端和用于后臺處理裝置與顯示控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的無線通信模塊，所述聲信號檢測裝置包括底座4、設(shè)置在底座4上的支撐結(jié)構(gòu)3、與支撐結(jié)構(gòu)3連接的靶框2和設(shè)置在底座4前方的掩體6，所述底座4上固定設(shè)置若干聲學(xué)傳感器5，所述聲學(xué)傳感器5的輸出端連接用于對聲信號進(jìn)行采集調(diào)理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的聲學(xué)調(diào)理儀，所述后臺處理裝置包括用于對聲學(xué)傳感器進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的聲學(xué)調(diào)理儀、用于對聲信號進(jìn)行預(yù)處理的信號處理機(jī)，所述顯示控制終端包括顯示裝置和中央數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理模塊，中央數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理模塊用于管理彈道及射擊成績數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)狀態(tài)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和存儲，并產(chǎn)生靶面起立或倒下的控制命令。

高速飛行的子彈，在空氣中摩擦?xí)a(chǎn)生彈道波，該彈道波以錐形波的形式向四周擴(kuò)散，并掠過傳感器位置。

本發(fā)明實(shí)施例中，聲學(xué)傳感器設(shè)置在底座上，這樣對于靶框上的著彈點(diǎn)1沒有限制，不需要另外安裝防護(hù)裝置，后期維護(hù)工作大幅降低；由于不需要在靶面安裝傳感器和防彈鋼板，使得靶面結(jié)構(gòu)得以簡化，靶架重量和體積大幅降低，起倒靶對驅(qū)動電機(jī)的力矩要求降低，電機(jī)購置成本降低。而且聲學(xué)傳感器設(shè)置在底座上，其高度低于設(shè)置在底座前方的掩體上，這樣也可以防止子彈對聲光傳感器的損害，射擊時不容易誤傷傳感器，且傳感器布設(shè)施工簡單，通過 后臺處理裝置對聲學(xué)傳感器進(jìn)行采集調(diào)理分析，可以測量得到子彈著靶點(diǎn)位置，還可以得到子彈擊中靶面前的飛行彈道信息，在多人訓(xùn)練中能有效分辨射擊者的成績，通過無線通信模塊將后臺處理裝置處理的信息發(fā)到顯示控制終端進(jìn)行顯示控制，不需要鋪設(shè)傳輸線纜，操作使用方便。

本發(fā)明實(shí)施例中，信號處理機(jī)采用DSP和FPGA對接收的聲信號進(jìn)行處理，其中信號處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置采用聲信號計(jì)算子彈飛行的彈道及擊中靶面的位置，獲得彈道信息和射擊的成績的彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)處理模塊，所述顯示控制終端包括顯示裝置及用于管理彈道及射擊成績數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)狀態(tài)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和存儲，并產(chǎn)生靶面起立或倒下的控制命令的中央數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理模塊。

進(jìn)一步地，所述聲學(xué)傳感器的數(shù)量大于3個。對于傳感器數(shù)量n>3的情況，該方程組是冗余的，可以獲得S₀(x₀,y₀,z₀)的較精確的解。優(yōu)選的，所述聲學(xué)傳感器的數(shù)量為6-10個。

本發(fā)明實(shí)施例中，無線通信模塊可以采用wifi、ZigBee、LoRa協(xié)議或“N”B-loT協(xié)議通信中的一種或多種，以能夠?qū)崿F(xiàn)后臺處理裝置和顯示控制模塊的無線通信為準(zhǔn)，本發(fā)明對此不作具體限制。

一種基于彈道波的自動報(bào)靶裝置的著靶點(diǎn)測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

設(shè)置在固定底座上的聲學(xué)傳感器檢測子彈產(chǎn)生的彈道波并轉(zhuǎn)換為電信號輸出；

聲學(xué)調(diào)理儀對聲學(xué)傳感器輸出的電信號進(jìn)行調(diào)理輸出數(shù)字信號；

信號處理機(jī)接收聲學(xué)調(diào)理儀輸出的數(shù)字信號，通過彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)處理模塊獲得彈道信息和射擊成績并傳輸；

顯示控制終端對信號處理機(jī)傳輸?shù)膹椀佬畔⒑蜕鋼舫煽償?shù)據(jù)進(jìn)行處理并產(chǎn)生控制信息輸出。

其中所述彈道波為子彈飛行過程中在空氣中激發(fā)的“N”波信號。

對于每一個聲學(xué)傳感器來說，接收到的聲信號是一個類似于“N”形狀的聲波，簡稱“N”波信號。該信號具有比較陡峭的上升沿(前沿)，通常為數(shù)十微秒量級。

彈道波自子彈彈道開始擴(kuò)散時，經(jīng)過一定的時延，輻射的“N”波掠過各聲學(xué)傳感器。由于各傳感器與子彈彈道的距離不同，各傳感器接收到的“N”波時刻也就不同，這個時延的不同，代表了傳感器距離子彈彈道的信息。經(jīng)過解算，可以算出子彈飛行的彈道歷史；進(jìn)一步可以獲得彈道與靶面的交匯點(diǎn)，從而獲得射擊的環(huán)數(shù)。

進(jìn)一步地，所述彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)處理模塊采用聲信號計(jì)算子彈飛行的彈道及擊中靶面的位置，獲得彈道信息和射擊的成績。

上述技術(shù)方案中，顯示控制終端包括中央數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理模塊，所述中央數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理模塊用于管理彈道及射擊成績數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)狀態(tài)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和存儲，并產(chǎn)生靶面起立或倒下的控制命令，準(zhǔn)備下一輪次的射擊訓(xùn)練。

參見圖6，為本發(fā)明提出的一種基于彈道波的彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)處理算法示意圖。

如圖6所示，一種基于彈道波的彈道及報(bào)靶數(shù)據(jù)處理算法，其特征在于，包括：

在傳感器布設(shè)的基座上建立坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中，各傳感器的坐標(biāo)分別為r_i(x_i,y_i,z_i)，設(shè)彈道方向的單位向量為n₀(n_0x,n_0y,n_0z)；

在T＝0時刻，位于彈道上位置S₀(x₀,y₀,z₀)輻射出的彈道波首先到達(dá)聲學(xué)傳感器S₁，設(shè)過S₁的錐面的切平面為P，彈道波傳播方向?yàn)閚_k，各傳感器到切平面P的距離為L_i＝r_i·n_k，各傳感器接收到的聲信號的時延為τ_i＝L_i/c，其中c為彈道波傳播速度；

解以下矩陣方程，

得到彈道波傳播方向n_k；

對于各傳感器S_i和聲源點(diǎn)S₀(x₀,y₀,z₀)，有如下關(guān)系：

解此方程組，即可得到聲源點(diǎn)S₀(x₀,y₀,z₀)的位置；

過聲學(xué)傳感器S₁做垂直于彈道的直線，與彈道的交點(diǎn)為M，M點(diǎn)與S₀點(diǎn)的距離為r₀₁·sin(theta)；

由S₀點(diǎn)表示的M點(diǎn)的坐標(biāo)為

其中，n₁(n_1x,n_1y,n_1z)為彈道軌跡方向；

解如下方程組：

即可確定n₁(n_1x,n_1y,n_1z)，得到彈道軌跡方向，結(jié)合S₀(x₀,y₀,z₀)的坐標(biāo)值，即得到彈道軌跡；

由該彈道軌跡與靶平面方程聯(lián)合求解，即得到子彈擊中靶面的坐標(biāo)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述傳感器的數(shù)量i>3。對于傳感器數(shù)量n>3的情況，該方程組是冗余的，可以獲得S₀(x₀,y₀,z₀)的較精確的解。

以上對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)介紹，但是本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍可以做出許多其他改變和改型。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于特定的實(shí)施方式，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。