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）

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。

1.1 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。

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ΔT，则可以建立如下等式：

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L=∆T⋅Vc/(V−c)。

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。

图2 立体靶腔分割结构

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：

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ΔL=BP﹣AP，该路程差造成的定位高度偏差ΔH为：

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L2(R)为一个平方可积的实数空间，对小波基函数ψ(t)做伸缩和平移，有：

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L2(R)定义一个积分小波变换Wf：

对应的二进离散小波变换为：

则小波系数Cj,k由Cj,k=f,ψj,k给出 ：

其重构公式为：

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（μ-σ，μ+σ）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。

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

本文采用的基于振动+激波复合检测方法能够有效实现不同命中部位的高正确率判定，且实现简单、可靠耐用、成本低廉，为实现全向立体多部位报靶技术提供了一种切实可行的技术路线，具有很好的应用前景。