自动报靶方法与设备

自动报靶方法与设备一、背景：目前,在部队射击训练、考核和比赛中,示靶、检靶和成绩记录主要依靠人工完成,这样不但效率低、可靠性差,而且存在安全隐患【1】。因而在很大程度上影响报靶的结果，不仅判靶效率低，而且不利于射击者准确地了解自己的成绩，不利于打靶水平的提高。射击精度是衡量枪械类轻武器性能的一个重要指标，因此，对自动报靶方法与系统的研究具有非常重大的意义。二、自动报靶的分类：为适应科技强军的需要，国内有许多单位对自动报靶系统进行研究，相继开发出多类射击自动报靶系统。根据自动报靶的技术实现原理，可分为电极埋入方式、光电传感方式、图象处理方式和声电定位方式四种方式。另外，市售的自动报靶系统根据手段可分为：金属片(或其他导电体)连通检测和图像识别两种方式。1、电极埋入式自动报靶系统1.1电极埋入式自动报靶系统的工作原理工作原理：是在特制靶体的生产过程中，利用特殊的工艺，将一个由电极组成的二维网格埋入靶体的夹层里面。当在垂直和水平方向上，每两根电极之间的间隔小于弹丸直径时，每次弹丸击穿靶体都会切断至少两根的电极。通过测量不同编号的电极间电阻值变化就能确定弹丸击中靶体的位置，进而形成弹点坐标，判定环数。1.2电极埋入式自动报靶系统的优缺点：①优点:响应速度快;报靶精度高。②缺点：这种判靶方式是一次性的，每次射击后靶体即告报废。因此，电极埋入式报靶系统成本过高。光电传感方式自动报靶系统2.1光电传感方式自动报靶系统的工作原理：是在光电传感式自动报靶系统中，在靶体的四周以垂直方向和水平方向对应安装两套高灵敏度的光电收发装置(如发光二极管和感光二极管)。这两组排列密集的发光器件所发出的光线将靶划分为矩阵式的网格状。每个小网格对应着靶上的一个方形区域。每一组垂直方向和水平方向光电器件编号的组合，就是靶上对应点的坐标。在每组相邻的光电器件间距小于弹丸直径的情况下，每次弹丸通过靶体的瞬间，都会在垂直方向和水平方向上切断至少两根的光线，光线的明暗变化又使感光器件的电气参数(如输出电平)发生变化。这样，就可以通过单片机等可编程设备来收集这些感光器件的编号，形成弹着点坐标，然后再通过查表等方式获取弹着点的环数。2.2光电传感方式自动报靶系统的优缺点：①优点:响应速度快，报靶精度高；②缺点：制造和维护成本高，并且只适用于轻武器射击。2.3使用时应该注意事项：①是在射击开始前要校准光电传感装置和实际靶体相互对应的基准点。②是要防止枪弹对光电传感装置的物理损害。2.4光电传感方式自动报靶系统光电传感方式自动报靶系统采用的是光电定位的技术，该系统以由发光装置构成的光电靶作为检测弹着点的装置,以单片机为核心构成数据分析处理系统,能够精确地得到子弹弹着点的坐标和相应的环数,并且可以有效地减少错报和漏报的情况。另外,通过对发光装置通断的控制,还可以对选手的反应速度和灵敏度等重要指标进行考核和评估。2.4.1光电靶原理：将普通靶纸置于激光网络之前并与之同轴,当子弹打破靶纸,并穿越激光网络时,会阻断相应位置处X、Y两个方向上各一路激光(x,y),从而使接收装置(光敏管)开关状态发生变化。通过对光敏管开关状态进行编码,便可将子弹穿过时对应的光敏管状态进行记录,利用单片机对该信号进行处理,便可得到弹着点的坐标和环数。2.4.2发射装置该系统对光束的准直性和横截面积有较高要求,利用激光二极管和透镜组合构成发射装置,可以达到较好的效果。考虑到高精度的激光二极管的成本较高,也可以采用普通的发光二极管来代替。2.4.3接收装置接收装置采用光电二极管。该系统要求光电二极管能够检测到子弹快速遮挡光路这一动作,这主要由光电二极管的响应时间决定。通常情况下,子弹击中靶的速度小于1000m/s,被遮挡光路的有效长度大于5mm,由此得出子弹遮挡光路的时间大于5ms,普通光电二极管的响应时间小于0.1ms,可以满足测量要求【4】。2.4.4激光网格大小的设计激光网格大小的设计决定了该系统报靶的准确性和信号处理的难度。在这里有三种设计方式：1.当网格边长b远大于子弹直径a(情况1)时,子弹将会有相当大的概率从网格中穿过,造成漏报或是只阻挡住X或Y一路光线而造成错报。2.当网格过小（情况2）是，子弹会挡住同一方向上的多路光而增加了数据处理难度。3.网格变长略大于子弹直径（情况3），这是一种比较理想的，因为这样即可以保证子弹不会同时阻挡同一方向的两路或更多的光线，也可以确保子弹能以足够大的概率同时阻挡两个方向上的光，而不会漏掉一路。图象处理方式自动报靶系统3.1基于图像处理技术自动报靶的原理基于图像处理技术的自动报靶系统和以上介绍的两种报靶方式不同，它没有在靶体上安装任何光电传感设备。在实弹射击过程中，它使用摄像头对常规的靶画面进行采集，根据采集来的靶图像的特点和变化，利用计算机图像识别技术找出靶图像中的真实弹点，然后通过判定弹点在靶中的位置来确认弹着点的环数值[2]。3.2图像处理自动报靶系统的优缺点：1、优点：后期维护成本低；2、缺点：制造成本高,需专业人员操作，不适用野外条件下火炮射击。3.3图像处理自动报靶系统的工作流程：随着图像处理技术的发展和计算机运算速度的不断提高，数字图像处理技术，特别是图像识别技术已经在诸多领域得到了广泛应用。“基于图像识别技术的自动报靶系统”就是这样一个包括了图像采集、图像识别和数据库管理的典型系统。自动报靶系统的算法流程原始数字图像是把换靶机上的摄像头得到的视频信号，送入判靶计算机的图像采集卡，由图像采集卡进行数字化后得到的。靶识别是通过利用靶纸图案的特殊性，将靶纸和非靶纸区分开来而实现的。靶面参数是指在采集的靶纸图像中，靶心及环线相对于固定的图像坐标系的坐标参数。采用图像直方图分析和数学形态学运算的方法，就可以得到需要的分割图像。得到弹孔位置后，与靶面参数相结合，利用其相对几何关系，系统可以计算出射击成绩。3.4图像处理自动报靶系统的组成：系统主要由后端和前端两大模块组成。后端模块放在比赛裁判席，包括一台后台管理计算机、打印设备和大屏幕显示设备。前端模块通过集线器HUB和后端模块连接构成局域网前端模块包括判靶计算机、图像采集装置、成绩识别软件等。前端模块是整个自动报靶系统的核心部分，它的功能主要包括：靶纸图像采集、判靶处理、显示和将成绩通过网络送到后台管理计算机。3.5图像处理自动报靶系统的判靶关键数字图像由CCD摄像头进行采集,图像处理由PC机上的软件程序承担,数据库管理系统负责对比赛成绩进行相关的统计与管理。图像处理算法的好坏直接决定最终靶数的准确性。由于靶数与弹孔最内侧点至靶环中心的距离成分段线性变化,因此从理论上讲,只要确定靶环中心的位置和弹孔最内侧点的位置,以及距离与靶数的变换系数,则可以精确计算出靶数。3.51靶心定位首先要解决的问是靶子上各靶环数据的采集。打靶前,首先采自动判靶流程图集无弹着点的靶位图象,采用逐点扫描的方法，把BMP图象的全部信息读入一指定指针数组,然后将BMP图象的图象数据部分读入另一个指针数组,通过此数组中的数据与图象的背景颜色比较,找出不同于背景颜色的点的坐标,第一个圆上的点便获得了。利用求平面图形质心的方法,计算出圆心的坐标。因为所有圆的圆心都是相同的,这个圆心就是靶心。3.5.2弹孔最内侧点的定位在靶后放置一白炽灯,人为地造成弹孔部分的灰度值明显高于靶纸的其他部分。在这种情况下,可选取一个阀值,若是某一点及其周围的八个点的灰度值全部大于该灰度值,则认为该点是弹孔上的点。然后,取所有弹孔上点的坐标值的平均作为弹孔的中心。在确定出靶环的中心后,作靶环中心与弹孔中心的连线,取线上最靠近环中心的弹孔上的点作为弹孔的最内侧点。通过这种处理,可以较快速准确的确定弹孔的心点,即最内侧点。3.5.3弹着点的识别和定位选择每一时刻在内存中只存储两祯图象的方式,所以为了准确识别弹着点及有效去除噪声斑点,对采集来的BMP图象,采用打一枪识别一次,报一次靶的方法。具体做法如下:首先存储无弹着点的靶位图象,再存储打了一枪的靶位图象,为了去除噪声斑点,计算机读取第一枪靶位图象数据后,先判断弹着点的像素的灰度级是否在一定的灰度级范围内,再根据需要将去除了噪声及锐化处理的弹着点阁象显示在屏幕上。然后将其与无弹着点的靶位图象进行按位异或,得到第一枪弹着点的图象。至此,计算机就完成了第一枪弹着点的识别。4、声电定位自动报靶系统基于声爆效应的自动报靶系统在声电定位自动报靶系统中是一个很典型的系统。4.1声爆效应的自动报靶系统的原理声爆效应的自动报靶系统的原理是：激波的形成条件以及声爆理论。这套声电定位自动报靶系统可通过测量超声速飞行弹丸的脱体激波，或者它在特定条件下诱发的压力，实现弹丸位置定位；也可通过测量重量级弹头触地或爆炸形成的爆炸波，实现弹头落点定位[2]。声爆理论是指经过激波，气体的压强、密度、温度都会突然升高，流速则突然下降。压强的跃升产生可闻的爆响。利用经过激波气体密度突变的特性，可以用光学仪器把激波拍摄下来[9]。激波是指当飞行物体以超音速飞行时，扰动来不及传到飞行物体的前面去，结果前面的气体受到飞行物体突跃式的压缩，形成集中的强扰动，这时出现一个压缩过程的界面，形同超音速气流吹过弹丸而被弹丸头部分开,产生了空气动力学中的凹角转折和凸角转折现象，使弹丸周围的空气发生压缩和膨胀,在这个过程中形成锥形波阵面——冲击波也称激波。4.2声爆效应的自动报靶系统的优缺点：1、优点:成本低，精度高,速度快,适用于野外射击训练和枪械生产企业射击精度检测。2、缺点:需专业人员操作。4.3着靶点的定位经试验发现在产生声爆的过程中人耳感受到的压力脉动不只是激波厚度范围的压力脉动，而是超音速飞机前激波至后激波之间一系列激波并列作用的结果，这一结果所形成的压力脉动的形状类似于英文字母N，故称作“N波”[10]。对于超音速弹丸来说，弹丸激波的形成大体上可由四个过程来描述:弹丸头部锥体形成的凹角转折使压力从常压P0急速上升至P0+P1,锥柱界面形成的凸角转折使压力从P0+P1降至P0,柱面膨胀又使压力从P0降至P0-P1,弹丸底端的界面变化又使压力从P0-P2急速回升至P0,弹丸激波压力变化形状如图2.8所示。经进一步研究表明,理想N波前后沿上升时间τ1=τ2≈0,幅值P1=P2,波传播距离dB与N波时间宽度TF间函数关系为[10]:其中:C1,C2-弹丸校准系数,C-声速，PM-弹丸马赫数。从理论上,只要传感器检测出N波信号,便能根据上式可计算出N波的传播距离,并进一步按新建立的数学模型可计算出弹丸着靶点。4.4对弹着点进行实时报靶和数字化管理在靶面上装有若干个声电传感器，当超音速弹头从靶框架内穿过时，冲击周围的空气使之产生挠动，形成一个圆锥形的激波体，其波前以音速向周围扩散，因此，固定在靶框上的传感器将逐个接收到该弹丸发出的激波，从而每两个传感器之间就产生一个时间差。然后，自动报靶系统根据超音速弹丸激波形态与传声器阵列之间的几何关系，建立时差数据与弹道轨迹间的数学模型，通过这些时间差及弹头速度进行运算处理，就可以确定波源位置，即弹头着靶点位置。系统工作原理图该系统是一套利用传感器(声波传感器)作为信息采集元件，通过放大、滤波、二次放大以及长线驱动处理，再经声卡进行A/D转换进入计算机，计算机对收到的数据进行分析和处理，得到弹丸着靶点的位置坐标并显示出来的探测系统。4.4.1系统的组成部分系统主要包含以下几个部分：机械结构部分、数据采集系统、数据处理与管理系统以及现场总线系统。机械结构部分主要是指光幕靶的安装定位、传感器及电路防护结构、传感器安装结构。使光幕靶和目标靶实现有效的配合，才能确保系统准确的检测到飞行弹丸所激发的激波。系统总体结构图数据采集部分是整个系统的关键技术所在，是系统的硬件核心部分。对弹丸激波信号的采集，通过了放大、滤波、二次放大以及长线驱动，再经声卡进行A/D转换，最后在计算机上进行运算处理。数据处理部分是整个系统功能实现的核心，在数学模型建立的基础上采用优化的算法快速准确的计算出弹着点坐标是这个部分的主要目标。管理功能是整个企业协调工作的基础，在现代企业管理中具有极其重要的作用。系统工作结构示意图总结在专业与非专业军事训练中，在射击比赛中，传统的报靶方法采用人工报靶。传统人工报靶主要有四个方面的不足：1）依赖于报靶者的判靶经验，效率比较低。2）当靶板上弹着点多时，报靶员很难识别新旧弹孔，报靶误差极大，直接影响射击训练质量。3）射击未完全结束时，补靶员现身靶壕外或在补靶员察看靶板报靶和补靶时，射击位管理者若稍有疏忽，就易出现枪支走火，造成人员伤亡，安全隐患极大。4）容易出现弄虚作假的现象。为了克服传统人工报靶有不足和满足军事训练现代化需求，以及提高射击队员的射击水平，自动报靶的研究和应用对推进军队现代化将具有普遍意义。本文介绍几类自动报靶系统，通过对每一类自动报靶系统的基本原理、关键技术，以及优缺点、着弹点的定位、弹点环数的自报系统，来了解自动报靶系统的设计机理，同时也了解到每一个自动报靶系统都有良好的应用前景。