李士林, 王明泉, 侯慧玲

（1 中北大學(xué)動態(tài)測試技術(shù)重點實驗室 山西太原 030051；2 中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 山西太原 030051）

0 引言

針對現(xiàn)有信號彈高度測量方法如：傳統(tǒng)交匯法[2-3]，基于雙面陣CCD非對稱交匯測量技術(shù)[4]，采用單幅圖像的方法對高度的測量[5-7]等，它們測量方案復(fù)雜，對操作人員在技術(shù)方面的要求較高，實驗設(shè)備價格也比較昂貴的問題，提出基于聲光特性的信號彈高度測量方法。該方法利用信號彈發(fā)射產(chǎn)生的聲、光信號在空氣中傳播速度相差較大的特性?？筛鶕?jù)信號彈在最高點處聲光到達傳感器的時間差進行測量。仿真表明：它的操作簡單，成本低廉，運行穩(wěn)定，性能可靠，適用于信號彈高度的測量。

1 信號彈高度測量系統(tǒng)

1.1 聲光特性

聲音和光信號都是自然界常見的信號，且都有直線傳播的特性，但是兩者在空氣中的傳播速度相差卻是比較大的。信號彈發(fā)射的高度一般在30～300 m左右，以300 m為例，光和聲音在空氣中傳播300 m距離所用的時間相差比較大，前者只用1 μs，后者需要1 s左右。正是基于信號彈發(fā)射時產(chǎn)生聲、光信號且聲、光信號在空氣中傳播速度相差較大的特性，提出了本文的研究與設(shè)計。

1.2 信號彈高度測量系統(tǒng)

利用聲音和光在空氣中傳播速度相差較大的特性，通過靈敏度較高的聲音傳感器和光傳感器及相應(yīng)的信號采集、變換，處理和顯示電路設(shè)計出了一套信號彈發(fā)射高度測量系統(tǒng)，來測量信號彈發(fā)射的高度，此系統(tǒng)具有很好的可實現(xiàn)性和現(xiàn)實意義。

基于聲光特性的信號彈高度測量系統(tǒng)分為4個模塊：信號彈發(fā)射模塊、信號采集模塊、信號傳輸和處理模塊、顯示模塊，測量系統(tǒng)總體方案設(shè)計如圖1所示。

2 基于聲光特性的信號彈高度測量方法原理

在基于信號彈聲光特性測量高度思想的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

圖1 信號彈測量系統(tǒng)框圖

圖2 基于聲光特性的信號彈高度測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

選擇好信號彈發(fā)射點O，距信號彈發(fā)射點的水平距離 L的地面適當(dāng)位置 O1安放靈敏度較高的光傳感器和聲音傳感器，用來采集信號彈在發(fā)射過程中產(chǎn)生的聲、光信號，并將采集到的聲、光信號轉(zhuǎn)換為電信號。信號彈在上升到最高點 O2時產(chǎn)生最強的聲音信號和光信號，此時信號彈的發(fā)射高度設(shè)為H。對信號彈高度測量系統(tǒng)進行適當(dāng)延時或人工操作，使光傳感器和聲音傳感器能夠準(zhǔn)確采集到最高點時信號彈發(fā)出的聲、光音信號。由于聲、光傳感器輸出的信號比較微弱，需要經(jīng)信號調(diào)理電路進行濾波和放大，以達到能進行模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的電壓值，從調(diào)理電路輸出的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為單片機處理器能接受的數(shù)字信號。單片機對 A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行處理，通過相應(yīng)的數(shù)字信號處理算法，編寫程序，可以計算出信號彈在最高點時產(chǎn)生的聲光信號傳播的時間差Δt。信號彈發(fā)射的高度一般在30～300 m之間，忽略光在這段距離的傳播時間,可以近似認為Δt即為聲音傳播到傳感器所用的

由圖2可知，信號彈發(fā)射最高點到測試點聲音傳感器的距離為S，即聲音傳播的距離為S，由三角形的勾股定理可以求出信號彈發(fā)射的高度 H為：

其中，VS為聲音在空氣中的傳播速度，Δt為聲、光傳感器采集到的信號彈最高點聲、光信號傳播的時間差。

3 實驗與仿真

運用Keil_μVsion2 C51語言編譯環(huán)境[8]來完成系統(tǒng)單片機程序的設(shè)計：包括程序的編寫、編譯、調(diào)試和仿真。程序設(shè)計的關(guān)鍵為如何求出單片機及 A/D轉(zhuǎn)換器定時采集判別一組光、聲音信號所用的時間。利用SST 89E516芯片仿真測算確定了測量系統(tǒng)采集一組光、聲信號的時間為1.35 ms左右；利用打火機及人為發(fā)出的聲音進行了室內(nèi)實驗，測出測量系統(tǒng)實際采集一組光、聲信號的平平均時間為1.256～1.287 ms，經(jīng)分析，該誤差在合理范圍內(nèi)。

利用煙花來模擬信號彈發(fā)射，經(jīng)測量系統(tǒng)測出了煙花發(fā)射的高度。圖3為示波顯示的光、聲模擬信號波形，圖4為 LCD顯示的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖3 煙花爆炸光、聲信號波形圖

圖4 LCD液晶顯示測量結(jié)果

在圖4中根據(jù)LCD顯示的數(shù)據(jù)可以讀出，煙花爆炸產(chǎn)生的光信號峰值L_max=0.78 V，聲音信號的峰值S_max=2.76 V，n_l的值為30，n_s的值為89，單片機處理一組光、聲信號的時間為1.3 ms，可計算出聲、光信號傳播的時間差為 Δt=（89-30）×1.3 ms=76.7 ms，L=5 m，實驗時聲速為334.5 m/s。由式（1）與式(2)可以計算出出煙花發(fā)射的高度為H=25.17 m。

本文一共對10枚煙花模擬信號彈進行了高度測量，其中3枚為普通二踢腳爆竹，7枚為慶典禮炮，實驗測得的數(shù)據(jù)表示，除第10枚煙花測量的結(jié)果由于人為操作不當(dāng)有明顯錯誤外，其它測得的9枚煙花高度均真實有效，其中所測得3枚二踢腳的高度在4.35～6.02 m之間6枚慶典禮炮的高度在 23.83～28.70 m之間，煙花高度相差在1.67～4.87 m之間。由以上分析數(shù)據(jù)與實際燃放煙花上升的高度基本吻合，驗證了測量系統(tǒng)的可操作性和準(zhǔn)確性。除了煙花高度爆炸的隨機性外，系統(tǒng)的測量結(jié)果應(yīng)該還是有一定誤差的，這主要是由系統(tǒng)誤差與測量算法誤差造成的，因此，系統(tǒng)的測量精度還有待進一步提高，主要可以通過選擇處理速度及精度更高的硬件來進行改進。

通過實驗和仿真驗證了基于聲光特性的信號彈高度測量技術(shù)是比較可行實用的，且與其它測量方法相比，測量系統(tǒng)操作簡單，運行穩(wěn)定，測量成本低，通過改進系統(tǒng)，可以大大提高測量精度，因此基于聲光特性的信號彈高度測量技術(shù)有較為廣泛的應(yīng)用前景。

[1]吳慎將.煙花炸點高度測量方法研究[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2010.

[2]張偉.煙花高度的測量方法[J].測繪通報,2004(05):65-66.

[3]吳慎將.煙花高度交匯測量方法研究[J].火工品, 2009(5):50-53.

[4]周承仙,王高.基于非對稱雙 CCD交匯的信號彈高度測量方法[J].測試技術(shù)學(xué)報,2009(23):240-243.

[5]孔曉東,丁大偉.基于圖像的高度測量方法[J].微機發(fā)展,2004(2):35-36.

[6]Criminisi A ,Reid I, Zisserman A. Computing 3D Euclidean distance from a single view[R].Dept.Eng.Science,Univer2sity of Oxford,Technical Report OUEL,2008.

[7]佟文杰.基于嵌入式系統(tǒng)的熱分析儀器測控系統(tǒng)研究[D].北京:北京機械工業(yè)學(xué)院,2007.