自动报靶系统弹着点识别技术研究.docx

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1、摘要：迎面弹着点识别是自动报靶系统中的核心步骤，准确检测出弹孔目标是系统实现可靠报靶的关键。对基于光电的区域定位、声波的线性定位、图像的机器视觉等靶面弹着点检测识别技术及其不同实现方式进行了研究和比较分析，以期为自动报靶系统建设的技术选取提供指导，并对基于图像处理的机器视觉技术在弹孔识别应用上的研究重点和发展方向进行了展望。关键词：自动报靶系统：弹着点识别：区域定位；线性定位；机器视觉1引百近年来，为改善射击训练条件，提高射击训练效率，保障射击安全，确保成绩评判公正，自动报靶系统得到越来越广泛的应用。尽管针对不同应用场景的自动报靶系统，其实现技术手段和判定方式有所差别，但在组织射击训练、考核、

2、竞赛过程中，无论训练效果评估还是考核成绩评定，靶面弹着点分布都是评判的基本依据。因而，弹着点识别技术是自动报靶系统研究的重要领城，是制约自动报靶系统发展的关键技术，也是评价自动报靶系统性能的核心参数。当前，自动报靶系统通常采用光电、声波和图像等实现靶面弹着点的检测识别。2基于光电的区域定位技术基于光电的区域定位技术是利用光电感知手段，采用区域定位方法进行靶面弹着点位置判定的自动报靶系统实用技术，其将物理靶面环线映射成多个定位区块，并运用双层短路、埋入电极、光栅阵列、激光幕（或红外带）等技术手段实现靶面弹着点检测和环数识别。2.1 区域定位原理区域定位技术定位原理如图1所示。在平面直角坐标系中，

3、以平行于横/纵坐标轴等间隔直线将平面空间分成等距的网格，只需判定目标所在网格区块就能准确定位目标位置。在实践应用中，通常采取对区块进行编码或对水平/垂直分隔线进行编码的方式表示区块所在位置，从而通过目标所在区块编码（或区块坐标）实现目标位置指示。图I靶而区城定位原理示意图图I中将胸环靶映射至直角坐标平面，并在X轴、丫轴方向上以等间隔直线进行靶面分割，整个有效靶面被划分为多个等面积网格，靶面弛着点位置和环数判定就转化为定位弹着点所在区块，由如若点区块编码或区块分隔线坐标可唯一确定靶面弹着点的位置和环数。从区域定位原理可以看出，区城定位的精度由区块大小决定，区块面枳越小(分隔线越密)则区域定位精度

4、越高，反之则越低。2.2 双层短路检测技术双层短路检测自动报靶系统的原理如图2所示，在靶纸基板上预先安装两层相互绝缘的导电材料，根据5条靶环线和A-H共8个射击方向将靶面分成多个相互独立的检测区域，当弹丸击穿靶面时，弹着点区城前后两层导电层被弹丸短路，从而根据短路点的位置，就能读取出靶面弹若点位置和环数，从而实现自动报靶.由双层短路检测技术原理及其实现方式可知，采用双层短路检测技术的自动报靶系统不受外部自然环境和电磁环境干扰的影响，能有效检测弹丸重孔，无需标校靶面定位，使用方便，但其检测精度相对较低，靶面成本相对较高，而且不适合射击较为密集的打靶场毋，因为当射击若干次后，靶板面的金属将遭到破坏

5、，造成较大的误报率。图2双层短路检测原理示意图23埋入电极检流技术埋入电极检测技术的基本工作原理与光栅阵列检测技术原理类似，其主要区别就是将光电传感器换成了电极。电极埋入式自动报靶系统在靶纸制作的过程中，将电极组成的网格装置植入靶体中，在这个电极网格的垂直方向和水平方向上的距离小于弹丸克径，当弹丸穿过这种特制的肥体时，会切断垂直方向和水平方向上的的最少两根电极，每个电极都有固定的编号，对应靶面的各点坐标，所以只要检测不同编号的电极之间的电阻值变化就可以计算出弹丸穿过靶面的位理，进步得到靶面弹着点坐标，再通过弹着点坐标判定环数。由埋入检测技术原理及其实现方式可以看出，网格越密，报靶精度越高，相对

6、而言所需要的成本也越高，这类自动报靶系统通常用在体自竞技项目中，但是由于电极被切断后是不可修豆的，所以这种报靶系统的靶体是一次性的，如果靶面林者点紧挨着上一颗弹孔的位置,刚好又躲过附近的电极，该弹着点将不能被检测到。另外，每张靶体的造价也比较高，而且每射击轮就需要更换副靶体，导致成本大幅度提高，因而这类产品在实际应用中较少。光栅阵列检测由激光器和光电传感器组成网状光栅，通过网格光栅中激光束被阻断传感器的脉冲检测，测量弹着点的坐标。其基本原理如图3所示，将靶板按照一定间隔分成等距的网格，光源为激光器，探测器为光敏.极管，形成一一对对的激光发射接收对。水平方向以X坐标表示，垂直方向以Y坐标表示，水

7、平方向的平行激光束和垂直方向的平行激光束垂直交叉形成网状光栅平面。实弹射击时，所有的激光器都处于激光发射状态，光敏二极管都处于工作状态，当弹丸击中靶板穿过激光束组成的光栅时，必定要遮挡住某一水平方向的激光束和某一垂直方向的激光束，从而确定犯面弹着点的坐标（x，y）和环数。在光栅阵列自动报靶系统中，行将靶面十环圆心映射为平面直角坐标原点时，靶面可以直接模拟成圆面，每一激光网格就是不同直径圆上的一个点，其数学描述为：2+y2=a-其中a为弹孔所在圆的半径。当弹丸穿过激光网格时，会切断处于横向和纵向的激光束，从而使处于这两个方向接收激光束的光坡二极管产生一个脉冲，实际上就是确定了方程中X和y的值，从

8、而确定了圆的半径a,也就可得出靶面弹着点的环数。在光栅阵列自动报靶系统中，要求激光发射器与接收器严格对准。因此，光栅阵列靶的标校问题直接影响到报靶系统的报靶质量及其推广应用。2S光幕检测技术光幕检测技术是以大发射角发光管代替光栅阵列的激光发射器形成光幕，从而回避激光发射器和接收器的对准问题。其光源通常由多个1ED发光管紧密排列而成，依据光的直线传播和叠加原理可知，当发光管之间的间距达到一定值时，光幕的光强分布可以近似认为是均匀的四。光幕检测技术的工作原理如图4所示，当弹丸穿过图中所示的有效靶区A时，与弹丸K对应的若干光电传感器接收的光强均有不同程度的变化，其中与弹丸正对的光电传感器S的光强变化

9、最大，电压输出信号变化也最大：其它光电传感器距离S越远.输出信息变化就越弱。从原理上说，只要能测量出X和Y方向输出电压变化最大的位当坐标，即可计算出靶面弛着点坐标（x，y）和环数。光*二板管光敏二极管图3光栅阵列原理示意图图4光幕检测原理示意图基于光幕检测技术的自动报靶系统通常选用红外光累，光箱能够均匀地无缝潼盖整个靶面，靶面弹着点识别精度高，且能有效识别弹丸重孔，适应不同弹径实弹射击的靶面弹若点检测。但是，当弹丸穿过光幕时，会在对应区域的多个接收器上形成强弱不同的输出信号，由于多光束的照射，使弹丸过靶产生的光强变化幅度减少，因此对光电接收粉的灵敏度及致性的要求较高；而且为获得靶面弹着点的位置

10、，必须同时对X和Y方向所有接收器的输出进行采样，由于弹丸飞行速度较高，对数据采集系统的采样通道数、采样频率、数据存储和信号判断速度等处理提出了很高要求。3基于声波的线性定位技术基于声波的线性定位技术是根据林丸激波在空气中的传播特性，运用无源测向定位原理，通过测定激波到达不同探测点的时间差（距离差），计算出激波至不同探测点的多条直线交叉点，从而判定靶面弹着点位置坐标和环数。3.1 线性定位原理线性定位技术是无源测向定位的基本方法之一，其实质是无源测时差定位（或距离差测量定位）。即假定在同一媒介中信号传播各向同性，目标辐射源与不同探测点之间的距离差，必然使该辎射源信号到达各探测点的时间差存在,因而

11、由时间差通过计算曲面交叉就可获得空间目标位置。其二维空间线性定位原理如图5所示。图5装性定位原理示意图图中S(Xn.Yn)为辐射源，D1(X1,Y1),D2(X2,Y2)、D3(X3,Y3)分别为三个独立的探测器，di、d2、d3分别为辐射源到三个探测器的距离，Ja、口为探测器检测到辐射源信号的时刻。设箱射源信号传播速度为V,则依据传播各向同性假定，由DI、D2探测器之间时间差和距离差的相互关系，可得：-11(-)v在直角坐标系中，以两点间欧氏距离d=(xi-x1)2+Gr2-y1J2代人式得：，一1!=(-)+(%-%)-(-i)2+(y.-y1)2v式中(I1I)可以通过探测器接收信号的时

12、间差测得，(x,y)(x2.y2)在布置探测器的时候已经知道，v信号传播速度可事前用其它办法获得，辐射源S(Xn,Y1,)坐标X八Yn为需确定的未知数。同理，分别由D3与DI、D3与D2探测器之间组合，可得到：-1=(1-3+(y.-y5)1-(-)2+(y.-y)2vqr=(-)2+(y.ey)2_-,(1-2)1+(y.-y2)2v从而，联立以上式中任意两个方程，均可求得(XZYn)的解，也就能确定辐射源S位置坐标。由以上分析过程可知，要实现二维空间的目标定位，至少需布置三个以上的探测点。随着探测点数量的增加，受测不准原理和信号传播微弱扰动膨响,探测器之间两两联立求得的(X。Yn,)系列值

13、，必定以目标位置(Xn，Yn)为中心呈震荡状态，但对(X，Yn)系列值进行数据处理后，可布效提高线性定位精确度。3.2 激波检测技术激波是指在超、跨声速气流中，压强、密度和温度等参数通过波阵面发生突跃变化的压缩波。当弹丸飞出枪口后，以跨声速（马赫数0.8-1.2）、超声速（马赫数1.2-5）飞行时，其周围流场存在从亚声速到超声速，或从超声速到亚声速运动的跨声速区，形成如图6所示的声场变化。当局部流场马赫数1,0时会出现激波，其激波阵面的前方空气被挤压来不及向外扩散而形成一定程度的高压；而波阵面的后方空气被排开而膨胀，形成较为突然的负压。大气中压缩区（高压区）和膨胀区（负压区）结合起来，产生了空

14、气动力学中的凹角转折和凸角转折现象，便在弹头或弹带、弹尾部形成近似圆锥形的稠密空气层，就形成弹道激波，同时，在弹尾底部后面呈现低真空的涡流区。图6弹丸U行的声场分布图（X所在区域为超声速区（a）0.99倍声速；（b）1OI倍声速，弹丸前端一定能离存在超声速区：（c）2.0倍声速，弹丸前缘附近存在亚声速区）加丸产生的激波在空气中向四周传播，由于空气介质的非均匀性（声阻、气温、风），使得非线性因素产生累积效应，激波中的充压区传播速度快于声波，而激波的低压区传播低于声速。传播时使得弗丸激波高压区和低压区容易形成一个渐进的外形，形似英文字母“N”，所以通常又将其称为“N形波邓1激波阵面通过传感器时，大

15、体上可由4个过程来描述：弹丸头部惟体形成的凹角转折使压力从常压P。急速上升至P0+P1,锥柱界面形成的凸角转折使压力从P。+R降至P1,柱面膨胀又使压力从PO渐降至P（TP2,弹丸底部的界面变化又使压力从PTP2急速回升至外,激波阵面压强变化过程如图7所示。图中，TF为激波时间宽度，1为砰发点时刻，I”匕为前后沿上升时间。经进一步研窕表明，理想“n”形波前后沿上升时间h=t2,幅值P=P2,因此，当弹丸激波扫过检测点时，传感器阵列检测到激波信号，获得激波信号经过每个传感罂时的时间宽度TF和传感器之间的时间间隔5再运用线性定位原理和靶面映射模型便可解算出弹丸的弹着点坐标和环数。图7弹丸激波压强变

16、化过程当射击方向垂直入射靶面时，近似激波各方向等速传播，因此对定位精度没有影响，但在弹丸斜入射条件下，会导致激波阵面的传播在把面上以椭圆阵面传播网，使各个传感器的时间有很大误差，从而对定位精度产生影响。同时，根据空气动力学原理，激波在运动过程中会受到激波前后空气压强、密度、温度等变化影响，不再满足激波传播速度为恒定声速的假定，也会影响弹着点的定位精度。4基于图像的机器视觉技术基于图像的机器视觉技术是以视频图像为处理对象，运用机器视觉表面缺陷检测技术，通过对靶面背景、靶面弹孔图像进行检测和分割，来判定靶面弹若点的位置和环数。其流程包括图像采集、图像预处理、目标区域分划、特征提取和选择以及目标的识别分类。当弹丸击中靶纸后