枪口声波触发系统设计

党妙妙，雷 鸣，付永升

（西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安 710021）

0 引言

枪口信号是将弹丸飞离枪口瞬间的非电量信号转换成电量信号作为弹丸飞行起始信号，其瞬间信号的测定在轻武器实验中占有十分重要的低位。它直接影响测试结果的准确性。如：统一外弹道多密集度测试系统的时间基准，计算子弹的飞行姿态与弹丸密度的分布、空间坐标等。常用的信号产生装置大多是采用断靶线。此方法安全性差，且影响弹丸在空中的飞行姿态并且耗费人力多、物力大和测试效率低，人为误差也难以克服等，难以适应目前靶场实现自动化测试的要求。或者是利用枪口磁场分布规律检测枪口信号，但此方法受到环境影响比较大，测量不是很准确，故在一些特定场合是不适用的。另一种方法采用火光红外探测，由于其会受到遮挡物的影响而不能探测到有效信号[1-2]。所以本论文提出的非接触式枪口声触发系统，采集子弹出枪口时产生声波场信号，能准确识别枪声信号与外界噪声信号。其不影响弹道的参数测量，且受环境影响较小，不会因遮挡物的影响而无法输出触发信号。

1 系统原理

设计主要是采集子弹出枪口时，在其周围产生的声波场作为目标信号，再经过信号处理形成准确的枪口信号，其系统原理如图1所示。

图1 系统原理

枪口的声波首先经过CR51声传感器以差分形式的输入给信号采集系统，经过适当的放大、滤波等电路进入信号识别电路，判断所采集的声音信号是否为枪声信号，滤除外界噪声对系统造成的误触发。最终将形成的枪口信号转换成差分信号输出，确保信号的长距离有效传输。

2 枪声检测与识别

设计主要是采集子弹出枪口时产生的声场信号作为目标信号，再将其经过信号处理输出可靠的枪口信号以便外弹道设备的使用。所以能否准确地检测并识别出枪声信号是非常重要的。但由于不同环境中系统受噪声影响较大，所以在检测识别枪声之前要进行必要的处理，以便抑制或消弱不需要的噪声和干扰。

2.1 枪声波检测与识别预处理

根据中间弹道学的研究分析，枪在射击时，子弹的火药在窄小的空间内燃烧产生的高温、高压和高速的爆炸气流将弹丸推出枪膛，当子弹出膛后其头部和尾部分别压缩空气会产生两道激波，此波成为弹头波和弹尾波。而且高温高压的火药气体被突然释放，在膛口外急剧膨胀形成复杂的膛口声场[3-4]，继续对弹丸产生效果，并且在膛口周围形成膛口激波、噪声等。其经过电容式传感器以后的波形结构如图2所示。

图2 自动步枪膛口激波经过电容传感器波形

图2中，当子弹出枪口时在其周围产生的声波场经过电容式传感器作用以后生成的波形。T1时刻波动主要由子弹与周围空气的作用形成，频率在4～20kHz之间。T2时刻是因为火药气体突然释放与周围空气作用形成的，其频率较低主要能量集中在100～600Hz之间[5]。T3时刻是由于枪口周围空气的回流形成的。通过CR51电容声传感器采集八一杠式半自动步枪枪口声波信号如图3所示。

图3 枪口声波实际波形

通过图3可知，枪口声波理论波形与实际枪口波形基本相同。所以将接收到的信号经过20kHz的带通滤波器可以滤除大部分的噪声能量，消除对枪口信号输出的干扰。

2.2 过零检测在枪声信号检测与识别中的应用

过零检测是在时域对信号进行特征提取，通常从信号自身的时域波形特性出发的一种信号分析方法，过零点特征提取方法的原理是在时域对信号幅值进行判别，通过检测信号过零点变化规律获得有效的信号特征向量[6]。如图4所示。

图4 过零检测输入与输出波形

图4中，输入信号为Yi（t），输出信号为Yo（t），Vs为固定的门限值。由图3可知输入信号幅值时大时小，在t1到t2时刻，输入的信号幅值太小没有没有超过固定的门限值Vs，所以检测器没有输出信号。在t3到t4时刻有一部分输入信号超过了固定门限值，所以在输入信号大于门限值的时刻检测器有信号输出。在t5到t6时刻输入的信号都大于固定门限值，整个信号输入时间检测器都有信号输出。

在实际的工作环境中采集枪声信号，由于存在着风等众多低频的噪声信号，也存在着白噪声等众多的高频信号，用过零检测易受到各种噪声的干扰。所以对过零检测进行改进采用过门限检测。即设置一个门限值，将原来的过零改为过相应的Vs门限值，经过比较形成对应的输出信号。设计中做以下过门限检测系统。

其中，Vs是固定的门限值。

而一般噪声信号其幅值都一般比较小。因为传感器采集的枪声信号有正也有负，为了提高枪口信号输出的实时性，同时也为了设置单一的检测门限值需要将采集到的枪声信号经过全波整流。即：将负的电压信号反转180°成为正的电压值。再给定固定的门限值几个形成如图5所示。

图5 固定门限检测器枪口声波输入与输出波形

由图5可知，每次的子弹出枪口产生的声波信号经过适当的放大之后，选择合适的固定门限比较都会输出3个有效的高电平信号。此数作为识别枪口信号的识别条件之一，第2枪声识别条件为3个高电平信号出现时间在50ms之内[7-8]。而一般的拍手或者喊叫声经过同样的放大倍数与门限值比较，只能输出1～2个有效的脉冲信号。将输出的高电平信号送入单片机进行判别即可判断出有效的枪声与外界的噪声信号。

3 声触发系统工作原理

设计中选择CR51纯电容式声传感器采集声波信号，其灵敏度高、频带宽、响应曲线平直、非线性畸变小和更低的噪声，独特的干涉管设计，适用于新闻采访和声音检测等。由CR51声传感器组成的声采集触发系统原理如图6所示。

图6 声触发系统原理

由于目标信号中参杂着不同频率幅度的噪声信号，其中，首先高频的高斯白噪声伴随枪口激波信号进入信号处理系统，经过放大后会对系统稳定性产生很大的影响。所以系统中首先要经过低通滤波电路消除高频信号对系统可靠性的影响。其次枪口的目标信号中伴随有风吹等低频的噪声信号，对系统的可靠性也有很大的影响，同时要经过高通滤波电路将其滤除掉。最后为使对目标信号的识别更准确将所得到的信号进行全波整流，并提高枪口信号输出的实时性。枪口信号最终以差分形式输出，保证其远距离传输的可靠性。

3.1 信号识别电路设计

信号识别电路是设计的核心内容，它直接影响到触发系统的可靠性问题。其中过门限检测是信号识别电路的核心思想，为使固定的门限值受环境的影响较小[9-10]，设计中采用运算放大器做一级的跟随器，从而使输出的门限值较为稳定。具体的信号识别电路如图7所示。

图7 信号识别电路

图6中，U1是基本的运算放大器，将R1和R2的分压通过U1跟随到电压比较器中，通过与输入的模拟电压值进行比较得出相应的电平信号，再通过光耦，将形成的脉冲信号送入89C2051单片机进行识别判断。

3.2 单片机信号识别程序设计

程序流程图如图8所示，单片机程序为识别系统的大脑，信号识别电路形成的电脉冲信号以脉冲形式给单片机，单片机经过处理在有效的时间内采集脉冲信号的上升沿个数，以便准确检测出有效的枪声，并输出准确的枪口信号。

图8 信号检测程序流程

4 结束语

设计利用中间弹道学关于枪口及子弹信号特性的研究分析结果，采用过零检测理论设计过门限检测电路，选择合适的门限值，将子弹出枪口时产生的声波信号转换成3个脉冲信号送入单片机，并设计检测时间，计算一次触发中的脉冲个数进行识别枪声与外界噪声。通过实验，系统能准确地探测到出枪声与外接的声信号，并通过检测与识别电路分析能准确识别出枪声与外界噪声，通过单片机程序设计确保了枪口信号的准确性和唯一性。经过实践，证明系统具有很强的实用性。

[1]黄龙华，何黎明.偷袭就意味着死亡—— 世界先进反狙击手探测系统扫描[J].环球军事，2006，（02）：38-40.

[2]杜 木.揪出隐蔽的杀手—— 现代狙击手探测系统[J].现代兵器，1998，（04）：25-27.

[3]李承选.狙击手探测系统—— 让狙击手无所遁形[J].现代军事，2005，（11）：52-55.

[4]Walton L Howes.Farfleld speet of the sonic boom[J].The Joulrnal of the Acoustieal Society of America，1967，41（3）：716-717.

[5]Miehael E Anstin.On the frequeney spectrum of N-waves[J].The Joumal of the Acoustieal Soeiety of Ameriea，1967，41（2）：528-529.

[6]Robert C.Maher.Modeling and signal processing of acoustic gunshot reeordings.Digital Signal Proeessing Workshop[J].12th-Signal Processing Education Workshop，2006，（4）：257-261.

[7]Jesse W M DuMond.A determination of the wave forms and laws of propagation and dissipation of ballistic shock waves[J].The Journal of The Acoustical Soeiety of Ameriea 1946，18（1）：97-118.

[8]李茂山.超声波测距原理及实践技术[J].实用测试技术，1994，（1）：12-20.

[9]孟立凡，郑 宾，侯 文.超声测距换能器及收发电路的研究[J].华北工学院学报，2001，（2）：87-89.

[10]何柞铺.声学理论基础[M].北京：国防工业出版社，1981.