槍口聲波觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨妙妙，雷 鳴，付永升

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

0 引言

槍口信號(hào)是將彈丸飛離槍口瞬間的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)作為彈丸飛行起始信號(hào)，其瞬間信號(hào)的測(cè)定在輕武器實(shí)驗(yàn)中占有十分重要的低位。它直接影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。如：統(tǒng)一外彈道多密集度測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，計(jì)算子彈的飛行姿態(tài)與彈丸密度的分布、空間坐標(biāo)等。常用的信號(hào)產(chǎn)生裝置大多是采用斷靶線。此方法安全性差，且影響彈丸在空中的飛行姿態(tài)并且耗費(fèi)人力多、物力大和測(cè)試效率低，人為誤差也難以克服等，難以適應(yīng)目前靶場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試的要求?；蛘呤抢脴尶诖艌?chǎng)分布規(guī)律檢測(cè)槍口信號(hào)，但此方法受到環(huán)境影響比較大，測(cè)量不是很準(zhǔn)確，故在一些特定場(chǎng)合是不適用的。另一種方法采用火光紅外探測(cè)，由于其會(huì)受到遮擋物的影響而不能探測(cè)到有效信號(hào)[1-2]。所以本論文提出的非接觸式槍口聲觸發(fā)系統(tǒng)，采集子彈出槍口時(shí)產(chǎn)生聲波場(chǎng)信號(hào)，能準(zhǔn)確識(shí)別槍聲信號(hào)與外界噪聲信號(hào)。其不影響彈道的參數(shù)測(cè)量，且受環(huán)境影響較小，不會(huì)因遮擋物的影響而無(wú)法輸出觸發(fā)信號(hào)。

1 系統(tǒng)原理

設(shè)計(jì)主要是采集子彈出槍口時(shí)，在其周圍產(chǎn)生的聲波場(chǎng)作為目標(biāo)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理形成準(zhǔn)確的槍口信號(hào)，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

槍口的聲波首先經(jīng)過(guò)CR51聲傳感器以差分形式的輸入給信號(hào)采集系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆糯?、濾波等電路進(jìn)入信號(hào)識(shí)別電路，判斷所采集的聲音信號(hào)是否為槍聲信號(hào)，濾除外界噪聲對(duì)系統(tǒng)造成的誤觸發(fā)。最終將形成的槍口信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出，確保信號(hào)的長(zhǎng)距離有效傳輸。

2 槍聲檢測(cè)與識(shí)別

設(shè)計(jì)主要是采集子彈出槍口時(shí)產(chǎn)生的聲場(chǎng)信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)，再將其經(jīng)過(guò)信號(hào)處理輸出可靠的槍口信號(hào)以便外彈道設(shè)備的使用。所以能否準(zhǔn)確地檢測(cè)并識(shí)別出槍聲信號(hào)是非常重要的。但由于不同環(huán)境中系統(tǒng)受噪聲影響較大，所以在檢測(cè)識(shí)別槍聲之前要進(jìn)行必要的處理，以便抑制或消弱不需要的噪聲和干擾。

2.1 槍聲波檢測(cè)與識(shí)別預(yù)處理

根據(jù)中間彈道學(xué)的研究分析，槍在射擊時(shí)，子彈的火藥在窄小的空間內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓和高速的爆炸氣流將彈丸推出槍膛，當(dāng)子彈出膛后其頭部和尾部分別壓縮空氣會(huì)產(chǎn)生兩道激波，此波成為彈頭波和彈尾波。而且高溫高壓的火藥氣體被突然釋放，在膛口外急劇膨脹形成復(fù)雜的膛口聲場(chǎng)[3-4]，繼續(xù)對(duì)彈丸產(chǎn)生效果，并且在膛口周圍形成膛口激波、噪聲等。其經(jīng)過(guò)電容式傳感器以后的波形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)步槍膛口激波經(jīng)過(guò)電容傳感器波形

圖2中，當(dāng)子彈出槍口時(shí)在其周圍產(chǎn)生的聲波場(chǎng)經(jīng)過(guò)電容式傳感器作用以后生成的波形。T1時(shí)刻波動(dòng)主要由子彈與周圍空氣的作用形成，頻率在4～20kHz之間。T2時(shí)刻是因?yàn)榛鹚帤怏w突然釋放與周圍空氣作用形成的，其頻率較低主要能量集中在100～600Hz之間[5]。T3時(shí)刻是由于槍口周圍空氣的回流形成的。通過(guò)CR51電容聲傳感器采集八一杠式半自動(dòng)步槍槍口聲波信號(hào)如圖3所示。

圖3 槍口聲波實(shí)際波形

通過(guò)圖3可知，槍口聲波理論波形與實(shí)際槍口波形基本相同。所以將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)20kHz的帶通濾波器可以濾除大部分的噪聲能量，消除對(duì)槍口信號(hào)輸出的干擾。

2.2 過(guò)零檢測(cè)在槍聲信號(hào)檢測(cè)與識(shí)別中的應(yīng)用

過(guò)零檢測(cè)是在時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行特征提取，通常從信號(hào)自身的時(shí)域波形特性出發(fā)的一種信號(hào)分析方法，過(guò)零點(diǎn)特征提取方法的原理是在時(shí)域?qū)π盘?hào)幅值進(jìn)行判別，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)變化規(guī)律獲得有效的信號(hào)特征向量[6]。如圖4所示。

圖4 過(guò)零檢測(cè)輸入與輸出波形

圖4中，輸入信號(hào)為Yi（t），輸出信號(hào)為Yo（t），Vs為固定的門限值。由圖3可知輸入信號(hào)幅值時(shí)大時(shí)小，在t1到t2時(shí)刻，輸入的信號(hào)幅值太小沒(méi)有沒(méi)有超過(guò)固定的門限值Vs，所以檢測(cè)器沒(méi)有輸出信號(hào)。在t3到t4時(shí)刻有一部分輸入信號(hào)超過(guò)了固定門限值，所以在輸入信號(hào)大于門限值的時(shí)刻檢測(cè)器有信號(hào)輸出。在t5到t6時(shí)刻輸入的信號(hào)都大于固定門限值，整個(gè)信號(hào)輸入時(shí)間檢測(cè)器都有信號(hào)輸出。

在實(shí)際的工作環(huán)境中采集槍聲信號(hào)，由于存在著風(fēng)等眾多低頻的噪聲信號(hào)，也存在著白噪聲等眾多的高頻信號(hào)，用過(guò)零檢測(cè)易受到各種噪聲的干擾。所以對(duì)過(guò)零檢測(cè)進(jìn)行改進(jìn)采用過(guò)門限檢測(cè)。即設(shè)置一個(gè)門限值，將原來(lái)的過(guò)零改為過(guò)相應(yīng)的Vs門限值，經(jīng)過(guò)比較形成對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。設(shè)計(jì)中做以下過(guò)門限檢測(cè)系統(tǒng)。

其中，Vs是固定的門限值。

而一般噪聲信號(hào)其幅值都一般比較小。因?yàn)閭鞲衅鞑杉臉屄曅盘?hào)有正也有負(fù)，為了提高槍口信號(hào)輸出的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也為了設(shè)置單一的檢測(cè)門限值需要將采集到的槍聲信號(hào)經(jīng)過(guò)全波整流。即：將負(fù)的電壓信號(hào)反轉(zhuǎn)180°成為正的電壓值。再給定固定的門限值幾個(gè)形成如圖5所示。

圖5 固定門限檢測(cè)器槍口聲波輸入與輸出波形

由圖5可知，每次的子彈出槍口產(chǎn)生的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆糯笾?，選擇合適的固定門限比較都會(huì)輸出3個(gè)有效的高電平信號(hào)。此數(shù)作為識(shí)別槍口信號(hào)的識(shí)別條件之一，第2槍聲識(shí)別條件為3個(gè)高電平信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間在50ms之內(nèi)[7-8]。而一般的拍手或者喊叫聲經(jīng)過(guò)同樣的放大倍數(shù)與門限值比較，只能輸出1～2個(gè)有效的脈沖信號(hào)。將輸出的高電平信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行判別即可判斷出有效的槍聲與外界的噪聲信號(hào)。

3 聲觸發(fā)系統(tǒng)工作原理

設(shè)計(jì)中選擇CR51純電容式聲傳感器采集聲波信號(hào)，其靈敏度高、頻帶寬、響應(yīng)曲線平直、非線性畸變小和更低的噪聲，獨(dú)特的干涉管設(shè)計(jì)，適用于新聞采訪和聲音檢測(cè)等。由CR51聲傳感器組成的聲采集觸發(fā)系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 聲觸發(fā)系統(tǒng)原理

由于目標(biāo)信號(hào)中參雜著不同頻率幅度的噪聲信號(hào)，其中，首先高頻的高斯白噪聲伴隨槍口激波信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)放大后會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。所以系統(tǒng)中首先要經(jīng)過(guò)低通濾波電路消除高頻信號(hào)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。其次槍口的目標(biāo)信號(hào)中伴隨有風(fēng)吹等低頻的噪聲信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的可靠性也有很大的影響，同時(shí)要經(jīng)過(guò)高通濾波電路將其濾除掉。最后為使對(duì)目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別更準(zhǔn)確將所得到的信號(hào)進(jìn)行全波整流，并提高槍口信號(hào)輸出的實(shí)時(shí)性。槍口信號(hào)最終以差分形式輸出，保證其遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.1 信號(hào)識(shí)別電路設(shè)計(jì)

信號(hào)識(shí)別電路是設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，它直接影響到觸發(fā)系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題。其中過(guò)門限檢測(cè)是信號(hào)識(shí)別電路的核心思想，為使固定的門限值受環(huán)境的影響較小[9-10]，設(shè)計(jì)中采用運(yùn)算放大器做一級(jí)的跟隨器，從而使輸出的門限值較為穩(wěn)定。具體的信號(hào)識(shí)別電路如圖7所示。

圖7 信號(hào)識(shí)別電路

圖6中，U1是基本的運(yùn)算放大器，將R1和R2的分壓通過(guò)U1跟隨到電壓比較器中，通過(guò)與輸入的模擬電壓值進(jìn)行比較得出相應(yīng)的電平信號(hào)，再通過(guò)光耦，將形成的脈沖信號(hào)送入89C2051單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別判斷。

3.2 單片機(jī)信號(hào)識(shí)別程序設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖8所示，單片機(jī)程序?yàn)樽R(shí)別系統(tǒng)的大腦，信號(hào)識(shí)別電路形成的電脈沖信號(hào)以脈沖形式給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理在有效的時(shí)間內(nèi)采集脈沖信號(hào)的上升沿個(gè)數(shù)，以便準(zhǔn)確檢測(cè)出有效的槍聲，并輸出準(zhǔn)確的槍口信號(hào)。

圖8 信號(hào)檢測(cè)程序流程

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)利用中間彈道學(xué)關(guān)于槍口及子彈信號(hào)特性的研究分析結(jié)果，采用過(guò)零檢測(cè)理論設(shè)計(jì)過(guò)門限檢測(cè)電路，選擇合適的門限值，將子彈出槍口時(shí)產(chǎn)生的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成3個(gè)脈沖信號(hào)送入單片機(jī)，并設(shè)計(jì)檢測(cè)時(shí)間，計(jì)算一次觸發(fā)中的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行識(shí)別槍聲與外界噪聲。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地探測(cè)到出槍聲與外接的聲信號(hào)，并通過(guò)檢測(cè)與識(shí)別電路分析能準(zhǔn)確識(shí)別出槍聲與外界噪聲，通過(guò)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)確保了槍口信號(hào)的準(zhǔn)確性和唯一性。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，證明系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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