張亞輝，王玉龍，劉皓挺，李宏凱，朱望飛，余琴蘭

（1.中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西華陰714200；2.北京航天控制儀器研究所，北京100094）

一種基于終點(diǎn)彈道氣動(dòng)噪聲及落地聲分析的未爆彈探測(cè)技術(shù)

張亞輝1，王玉龍1，劉皓挺2，李宏凱1，朱望飛1，余琴蘭1

（1.中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西華陰714200；2.北京航天控制儀器研究所，北京100094）

針對(duì)常規(guī)兵器靶場(chǎng)試驗(yàn)、部隊(duì)訓(xùn)練及演習(xí)過(guò)程中非爆彈定位困難的問(wèn)題，介紹了一種采用低成本聲學(xué)傳感器的終點(diǎn)彈道未爆彈探測(cè)技術(shù)。根據(jù)彈著區(qū)范圍，布置若干聲學(xué)傳感器，保證其測(cè)量范圍覆蓋整個(gè)彈著區(qū)。對(duì)于每一個(gè)聲學(xué)傳感器采集到的氣動(dòng)噪聲及落地聲信號(hào)，執(zhí)行以下計(jì)算步驟：采用快速傅里葉變換與拉普拉斯小波分析技術(shù)進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)的降噪與增強(qiáng)；采用短時(shí)能量、短時(shí)幅度以及短時(shí)過(guò)零率進(jìn)行氣動(dòng)噪聲與落地聲端點(diǎn)檢測(cè)；采用小波包分析技術(shù)提取降噪增強(qiáng)后聲學(xué)信號(hào)的特征；采用基于最小距離的閾值準(zhǔn)則進(jìn)行終點(diǎn)彈道氣動(dòng)噪聲及落地聲的識(shí)別。靶場(chǎng)試驗(yàn)未爆彈落點(diǎn)粗定位結(jié)果顯示，文中所提技術(shù)可用于未爆彈落地點(diǎn)定位，定位精度可達(dá)10 m.

兵器科學(xué)與技術(shù)；未爆彈；端點(diǎn)檢測(cè)；小波分析；特征識(shí)別；聲定位

0 引言

未爆彈（UXO）［1］是指火炮射擊時(shí)彈丸擊中靶標(biāo)或落地過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生爆炸的一類出現(xiàn)異常狀況的彈丸。造成彈丸沒(méi)有正常爆炸的原因很多，如產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷、自身的生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題，或環(huán)境因素導(dǎo)致的產(chǎn)品失效等。在歷次打靶試驗(yàn)中，雖然UXO出現(xiàn)的概率較低，但一旦UXO出現(xiàn)，則造成潛在的危害非常大。如果不進(jìn)行UXO的回收，很有可能在未來(lái)造成彈著區(qū)人員的傷害與財(cái)產(chǎn)的損失，因此有必要進(jìn)行UXO識(shí)別、定位與回收技術(shù)的研究。與正常爆炸的彈丸相比，UXO在落地時(shí)不會(huì)產(chǎn)生爆炸沖擊的聲波與火光，不會(huì)造成較大的揚(yáng)塵，且一般也不會(huì)暴露在地表，只會(huì)在地面留下一個(gè)彈孔，因此進(jìn)行UXO的定位與搜索非常困難。

國(guó)外在上述領(lǐng)域的研究起步較早，目前主流的研究方法包括磁法探測(cè)技術(shù)［2］、探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)［3］等。磁法探測(cè)技術(shù)通過(guò)磁傳感器探測(cè)彈丸產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，采用模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行UXO的搜索與探測(cè)；探地雷達(dá)則通過(guò)主動(dòng)發(fā)射和接收特定頻譜的信號(hào)，對(duì)地面以下的UXO進(jìn)行定位。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，相關(guān)研究工作開(kāi)展的較少［4-5］。在實(shí)際應(yīng)用中，目前主要還是通過(guò)人工搜索的方式進(jìn)行UXO的彈孔定位。如在國(guó)內(nèi)某靶場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，為了搜索UXO，需要出動(dòng)上百人員進(jìn)行拉網(wǎng)式排查搜索。相比較而言，磁法探測(cè)技術(shù)探測(cè)范圍較小，比較適合于在進(jìn)行完UXO的彈著區(qū)粗定位后，再利用上述技術(shù)進(jìn)行精確地UXO搜尋；探地雷達(dá)技術(shù)則成本較高，需要借助專用的大型儀器設(shè)備。另外，由于靶場(chǎng)常年試驗(yàn)遺留的彈片很多，也會(huì)影響磁法探測(cè)技術(shù)和探地雷達(dá)的使用，因此上述兩類技術(shù)在靶場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中都較為受限。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種采用聲學(xué)分析［6］的終點(diǎn)彈道UXO識(shí)別與粗定位技術(shù)。首先分析了終點(diǎn)彈道UXO氣動(dòng)噪聲及落地聲的聲學(xué)特性；其次，提出一種對(duì)靶場(chǎng)彈著區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分的方法，并在各個(gè)劃分的區(qū)域布置低成本聲學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的采集；再次，針對(duì)彈丸在飛行時(shí)的終點(diǎn)彈道所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲及落地聲，采用小波分析技術(shù)提取彈丸氣動(dòng)噪聲及落地聲的特征，用以進(jìn)行UXO聲學(xué)特征與環(huán)境噪聲及正常爆炸彈丸聲學(xué)特征的區(qū)分；最后，根據(jù)聲強(qiáng)衰減的大小，確定UXO的彈著區(qū)域，為UXO后續(xù)精確的搜索與定位提供依據(jù)。

1 UXO氣動(dòng)噪聲與落地聲聲學(xué)特征

在常規(guī)兵器試驗(yàn)中，多數(shù)試驗(yàn)彈丸是以亞音速落地。當(dāng)彈丸亞音速飛行時(shí)，光滑彈體與氣流之間會(huì)產(chǎn)生“氣動(dòng)噪聲”，即高速氣流、不穩(wěn)定氣流，以及由氣流與物體相互作用產(chǎn)生的噪聲。結(jié)合大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，不失一般性，可以認(rèn)為亞音速飛行彈丸的氣動(dòng)噪聲具有以下的特點(diǎn)：

1）彈丸飛行氣動(dòng)噪聲是一個(gè)連續(xù)的聲信號(hào)，出現(xiàn)在落地聲或爆炸聲之前。

2）飛行彈丸逐漸接近聲探測(cè)器，氣動(dòng)噪聲聲壓值是一個(gè)由小及大的過(guò)程，如果測(cè)試位置在落彈點(diǎn)與炮位之間，聲壓值還會(huì)有一個(gè)由大及小的過(guò)程。

3）在彈形系數(shù)基本一致時(shí)，彈丸飛行氣動(dòng)噪聲聲壓值隨彈丸飛行速度增大而增大、隨彈丸體積增大而增大，另外氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)常常低于落地聲聲壓級(jí)。

4）迫擊炮炮彈落地速度較低（200 m/s，低于0.75倍音速，不存在激波），有一部分氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生與彈丸的尾翼旋轉(zhuǎn)關(guān)系密切，整個(gè)聲信號(hào)主頻相對(duì)低，一般低于100 Hz；速度較高（一般高于280 m/s，高于0.75倍音速）落地的榴彈、加榴彈等，有一部分氣動(dòng)噪聲屬于激波，整個(gè)聲信號(hào)主頻相對(duì)低，一般主頻高于200 Hz，但低于1 600 Hz.

落地聲是彈丸與地面接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦及振動(dòng)的聲學(xué)信號(hào)。結(jié)合大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，常規(guī)兵器的彈丸在沒(méi)有發(fā)生爆炸的情況下落地聲具有以下特點(diǎn)：

1）彈丸落地聲具有脈沖震蕩衰減特性；

2）彈丸落地聲出現(xiàn)在彈丸飛行氣動(dòng)噪聲之后；

3）彈丸落地聲主頻較低，一般在17～80 Hz之間，能量多集中在20～40 Hz之間；

4）假設(shè)其他條件一致情況下，且彈丸速度沒(méi)有超過(guò)音速時(shí)，落地聲的聲壓隨彈丸質(zhì)量、落地速度增加而增大。

2 聲傳感器布站方法

進(jìn)行聲源定位的目的是為了快速有效地估計(jì)出UXO大致的位置，為后續(xù)的搜索工作提供支持和指導(dǎo)。與其他傳感器探測(cè)技術(shù)相比，采用聲學(xué)傳感器粗定位技術(shù)，具有系統(tǒng)成本低、野外作業(yè)攜帶方便、結(jié)果可信度高等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 測(cè)量原理設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的聲源定位方法［7-9］包括：基于時(shí)間差的方法、基于聲壓比的方法、基于可控波束的方法，以及基于高分辨率譜估計(jì)的方法?；跁r(shí)間差的方法主要利用到達(dá)不同聲傳感器之間時(shí)間差進(jìn)行定位；基于聲壓比法則是根據(jù)聲發(fā)射源信號(hào)在不同拾音器上所形成的聲壓的差異進(jìn)行定位；基于可控波束形成器法是采用各傳感器采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和形成波束，通過(guò)搜索聲源的可能位置來(lái)引導(dǎo)該波束，修改權(quán)值使得傳感器陣列的輸出信號(hào)功率量最大；基于高分辨率譜估計(jì)的方法則是采用通過(guò)獲取了傳感器陣列的聲信號(hào)來(lái)計(jì)算空間譜的相關(guān)矩陣。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)，一般需要研制特定的聲學(xué)傳感器，如定制麥克風(fēng)陣列、聲傳感器矩陣等進(jìn)行聲信號(hào)的采集，而后通過(guò)對(duì)單個(gè)或多個(gè)傳感器聲信號(hào)的分析進(jìn)行聲源的高精度定位。然而在實(shí)際的靶場(chǎng)試驗(yàn)中，如果在距離射擊區(qū)域較近的地方布置麥克風(fēng)陣列，彈丸有可能對(duì)各類聲傳感器造成毀傷，應(yīng)用該類傳感器試驗(yàn)成本太高；如果在距離射擊區(qū)域較遠(yuǎn)的地方布置麥克風(fēng)陣列，則可能因?yàn)槁曅盘?hào)太弱不能捕獲目標(biāo)。因此急需一種低成本的聲傳感器及其對(duì)應(yīng)的定位方法來(lái)進(jìn)行UXO的定位。

為了解決上述問(wèn)題，如（1）式和（2）式中所示，為本文所設(shè)計(jì)的聲學(xué)識(shí)別及定位技術(shù)。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是在靶場(chǎng)按照一定規(guī)則布置多個(gè)低成本聲學(xué)傳感器進(jìn)行彈丸終點(diǎn)彈道氣動(dòng)噪聲及落地聲的采集與分析，最終通過(guò)尋找各個(gè)傳感器測(cè)量信號(hào)中聲學(xué)指標(biāo)最大的那個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)的區(qū)域作為UXO的候選搜索區(qū)域，再根據(jù)聲學(xué)指標(biāo)的大小與距離的經(jīng)驗(yàn)信息進(jìn)行UXO的粗定位。（1）式表示位置坐標(biāo)Pc（x，y）的定位是通過(guò)求取聲學(xué)指標(biāo)最大的聲傳感器進(jìn)行確定；（2）式表示該聲學(xué)指標(biāo)為距離、聲源形狀以及環(huán)境衰減因素等的函數(shù)。為了簡(jiǎn)化，在后續(xù)的討論中將環(huán)境衰減因素加以忽略，或解釋為多次測(cè)量試驗(yàn)的環(huán)境因素基本一致，故可將其忽略。通過(guò)上述方法的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)UXO的粗定位，后續(xù)可再采用如磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器等技術(shù)進(jìn)行UXO的精細(xì)定位，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)UXO的搜尋。

式中：A（xi，yi）表示第i個(gè)聲傳感器所處的坐標(biāo)位置；L*表示位置位于坐標(biāo)“*”處的聲傳感器所采集到的聲學(xué)指標(biāo)的大??；F（d，s，e）表示F（*）為距離參數(shù)d、聲源形狀參數(shù)s及環(huán)境衰減參數(shù)e的函數(shù)。

2.2 布站方法設(shè)計(jì)

如圖1中所示，為一種靶場(chǎng)聲學(xué)傳感器的布站方法。圖1中左側(cè)黑色的實(shí)心圓表示射擊單元，包括迫擊炮、加農(nóng)炮、榴彈炮等，射擊單元位于射擊陣地；右側(cè)黑色的小實(shí)心圓表示低成本聲學(xué)測(cè)量裝置，該裝置位于彈著區(qū)域，其外側(cè)對(duì)應(yīng)的同心圓表示該裝置的聲學(xué)測(cè)量范圍。采用上述布站方式，一方面實(shí)現(xiàn)了靶場(chǎng)彈著區(qū)聲學(xué)測(cè)量的全覆蓋，有效提高了對(duì)試驗(yàn)過(guò)程態(tài)勢(shì)變化的監(jiān)控能力；另一方面，由于各聲傳感器體積較小，在一般試驗(yàn)中被彈丸擊中的概率極小，同時(shí)各個(gè)傳感器的成本也很低，即便被擊毀造成的經(jīng)濟(jì)損失也不大。

圖1 靶場(chǎng)聲傳感器布站方法俯視示意圖Fig.1 The top view of layout method of acoustic sensors in a range

本文所設(shè)計(jì)的布站方式具有以下特點(diǎn)：第一，采用專用聲信號(hào)采集裝置進(jìn)行單個(gè)聲測(cè)量基站硬件系統(tǒng)的網(wǎng)狀布站，使得整個(gè)射擊目標(biāo)區(qū)域完全被聲傳感器所覆蓋；第二，每個(gè)基站只采用一個(gè)聲傳感器采集聲學(xué)信號(hào)，系統(tǒng)成本較低，聲信號(hào)采集的有效范圍近似為圓形區(qū)域；第三，絕大部分聲信號(hào)采集裝置的有效測(cè)量范圍相互重疊。最終，在進(jìn)行靶場(chǎng)試驗(yàn)中，各個(gè)基站采集聲學(xué)信號(hào)，基站通過(guò)對(duì)傳感器的聲信號(hào)分析，識(shí)別出彈丸的非爆現(xiàn)象是否發(fā)生。如果目標(biāo)被確定為UXO，再根據(jù)其他測(cè)量點(diǎn)獲取的聲學(xué)指標(biāo)大小進(jìn)行距離的粗定位。

3 聲學(xué)特征分析方法

本文系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)特征分析的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：聲信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)、聲信號(hào)的降噪與增強(qiáng)技術(shù)、聲信號(hào)的關(guān)鍵特征提取技術(shù)，以及UXO的聲學(xué)識(shí)別技術(shù)。

3.1 聲信號(hào)的降噪與增強(qiáng)技術(shù)

在進(jìn)行野外環(huán)境下的聲信號(hào)采集時(shí)，傳感器容易受鳥(niǎo)鳴聲、蟬鳴聲、風(fēng)聲等的干擾，因此需要首先進(jìn)行信號(hào)的降噪與增強(qiáng)處理。本文采用快速傅里葉變換（FFT）濾波器進(jìn)行原始聲信號(hào)的降噪以及拉普拉斯小波［10］進(jìn)行原始信號(hào)的增強(qiáng)。FFT降噪技術(shù)較為常見(jiàn)，本文不再詳述。在采用拉普拉斯小波進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)時(shí)，可采用如（3）式中所示小波基函數(shù)。如令γ=｛ω，ξ，τ｝，則當(dāng)γ=｛2，0.08，0｝，Ws=5 s時(shí)，該小波基函數(shù)的圖像如圖2中所示。從小波理論可知，復(fù)數(shù)小波可以實(shí)現(xiàn)光滑、連續(xù)的小波變換，從而保證信號(hào)的相位信息不失真。可以形象地說(shuō)，拉普拉斯小波對(duì)信號(hào)的逼近不是通過(guò)簡(jiǎn)單的平移，而是像擰螺絲一樣連續(xù)前進(jìn)，因此它能觀測(cè)到信號(hào)的每一個(gè)細(xì)節(jié)。

式中：參數(shù)｛ω，ξ，τ｝決定了小波的特性，ω∈R+表示頻率，ξ∈［0，1）∈R+表示粘滯阻尼比，τ∈R為時(shí)間參數(shù)；系數(shù)A用來(lái)歸一化小波函數(shù)；Ws表示小波緊支區(qū)間的寬度，它一般不需要顯式表示。

圖2 拉普拉斯小波Fig.2 Laplas wavelet

與氣動(dòng)噪聲信號(hào)相比，落地聲信號(hào)非常弱，尤其需要進(jìn)行增強(qiáng)處理。根據(jù)對(duì)落地聲信號(hào)分析的結(jié)果，落地聲持續(xù)時(shí)間一般為100～150 ms，而在50 ms左右時(shí)約衰減到最大幅值的一半。如（4）式中所示，對(duì)這類微弱落地聲信號(hào)的窗能量增強(qiáng)主要是運(yùn)用一個(gè)50 ms的窗，從起始點(diǎn)逐步采樣并向后推移，計(jì)算在50 ms內(nèi)的信號(hào)能量，將其賦值給起始點(diǎn)，最終成為一個(gè)新的波形，新波形的每個(gè)點(diǎn)，代表了從該點(diǎn)起至50 ms內(nèi)的信號(hào)能量。具體計(jì)算時(shí)，首先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行拉普拉斯小波濾波，去除其他的雜波信號(hào)，再采用（4）式中的方法進(jìn)行信號(hào)處理，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)的目的。

式中：m為采集頻率；s（n）為原始信號(hào)的大小。

3.2 端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)

UXO終點(diǎn)彈道的氣動(dòng)噪聲及落地聲一般均會(huì)持續(xù)幾秒鐘的時(shí)間，因此需要采用端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)［11］將上述聲信號(hào)進(jìn)行有效分割。針對(duì)UXO的聲學(xué)信號(hào)，需要進(jìn)行4次端點(diǎn)檢測(cè)處理確定氣動(dòng)噪聲的開(kāi)始與結(jié)束時(shí)刻、落地聲的開(kāi)始與結(jié)束時(shí)刻。本文采用短時(shí)能量、短時(shí)幅度，以及短時(shí)過(guò)零率技術(shù)實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)檢測(cè)的功能。如果用xw（n）表示原始信號(hào)x（n）經(jīng)過(guò)加窗處理后的信號(hào)，窗函數(shù)的長(zhǎng)度為N，則短時(shí)能量En可由（5）式進(jìn)行表示；定義一個(gè)平均幅度函數(shù)Mn來(lái)衡量聲信號(hào)幅度的變化，則短時(shí)幅度可由（6）式進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于離散信號(hào)，相鄰兩個(gè)樣點(diǎn)的正負(fù)號(hào)異號(hào)時(shí)稱之為“過(guò)零”，此時(shí)信號(hào)的時(shí)間波形穿過(guò)了零電平的橫軸，因此短時(shí)過(guò)零率Zn可以由（7）式～（9）式進(jìn)行定義。

由于距離越遠(yuǎn)采集到的有效氣動(dòng)噪聲及落地聲的信號(hào)越弱，因此在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)氣動(dòng)噪聲及落地聲開(kāi)始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)的檢測(cè)最好將上述3類方法同時(shí)使用，以避免漏檢的情況。在判斷信號(hào)片段是否為氣動(dòng)噪聲及落地聲時(shí)，除了需要采用上述3類方法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)閾值進(jìn)行信號(hào)起點(diǎn)與終點(diǎn)的判斷與分割，還需要根據(jù)氣動(dòng)噪聲的持續(xù)時(shí)間或氣動(dòng)噪聲與落地聲之間的時(shí)間間隔等的先驗(yàn)信息來(lái)進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)正確性的判斷。

3.3 聲信號(hào)關(guān)鍵特征提取技術(shù)

本文采用小波包［12］濾波后的能量特征作為氣動(dòng)噪聲與落地聲的聲學(xué)信號(hào)關(guān)鍵特征。小波包能夠同時(shí)對(duì)信號(hào)的低頻和高頻信息進(jìn)行分析，因此較為適合處理本文氣動(dòng)噪聲與落地聲的信號(hào)。相關(guān)特征計(jì)算的具體步驟包括：

1）首先對(duì)振動(dòng)能量信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解，從而得到底3層從低頻到高頻8個(gè)子頻帶的小波分解系數(shù).

式中：xjk（j=0，1，…，7；k=0，1，…，n）為重構(gòu)信號(hào)Sj3離散點(diǎn)的幅值。

4）構(gòu)造特征向量，與背景聲學(xué)信號(hào)相比，氣動(dòng)噪聲與落地聲的聲信號(hào)較強(qiáng)，因此可以以能量為元素構(gòu)造一個(gè)特征向量進(jìn)行該種信號(hào)的描述。特征向量T構(gòu)造如下：

3.4 UXO識(shí)別

進(jìn)行UXO識(shí)別時(shí)，一種容易想到的方法是采用分類器技術(shù)［13］，根據(jù)采集到的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分類器的訓(xùn)練與識(shí)別應(yīng)用。然而，對(duì)于UXO的識(shí)別問(wèn)題，由于其出現(xiàn)的情形較少，目前收集到的數(shù)據(jù)非常有限，因此采用已有的數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行分類器的訓(xùn)練。本文提出采用最小歐拉距離度量的方式進(jìn)行UXO音頻信號(hào)的識(shí)別。如（13）式中給出了一種高維特征距離度量的計(jì)算方法。在進(jìn)行最小距離的計(jì)算時(shí)，首先提取（12）式中多個(gè)小波包分解的能量特征向量；其次再分別計(jì)算當(dāng)前信號(hào)小波包分解能量特征與已獲得的標(biāo)準(zhǔn)UXO氣動(dòng)噪聲與落地聲信號(hào)小波包能量特征之間的距離，如果該距離小于某一閾值，則認(rèn)為當(dāng)前信號(hào)為UXO的終點(diǎn)彈道氣動(dòng)噪聲及落地聲信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)噪聲與落地聲信號(hào)小波包能量特征是根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)在對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上獲得的結(jié)論。

式中：xi、yi（i=1，2，…，K）分別為UXO及待檢測(cè)音頻信號(hào)的特征向量，K為特征向量的個(gè)數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

為了驗(yàn)證本文所提方法的正確性，采用某型迫擊炮彈單發(fā)實(shí)彈射擊過(guò)程中出現(xiàn)的UXO數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)算法的驗(yàn)證。UXO聲學(xué)信號(hào)的采集采用錄音裝置按照前文所提的布站方式在靶場(chǎng)彈著區(qū)內(nèi)進(jìn)行安裝與調(diào)試。UXO音頻信號(hào)識(shí)別算法的仿真采用c及Matlab語(yǔ)言在主頻為2.4 GHz、內(nèi)存為3 GB的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。

4.1 聲學(xué)信號(hào)識(shí)別方法評(píng)估

如圖3中所示，為某型彈丸下落及落地聲的波形及頻譜圖。這段聲音是用聲傳感器在距離彈丸落點(diǎn)位置100 m左右的地方捕獲得到的。從圖中可清楚地看出，在2.1 s左右時(shí)，彈丸砸入地面時(shí)產(chǎn)生了略高于背景及呼嘯聲的落地聲。落地聲波形清晰，強(qiáng)度高，但持續(xù)時(shí)間很短。在經(jīng)過(guò)基本的頻譜分析后可以得出這段聲音的主要頻率大多約集中在80 Hz以下，約在20～80 Hz之間。最終，在進(jìn)行原始聲學(xué)信號(hào)的降噪處理時(shí)，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，在保證不失真的保存原始信號(hào)細(xì)節(jié)特征的前提下，可以選擇80 Hz的低通FFT濾波器濾除可能出現(xiàn)的鳥(niǎo)叫聲與蟬叫聲等。

圖3 原始落地聲的頻率特征分析Fig.3 Frequency characteristic analysis of the original landing sound

如圖4中所示，為原始落地聲信號(hào)增強(qiáng)處理結(jié)果。首先，可以選取適合的拉普拉斯小波特征參數(shù)進(jìn)行原始信號(hào)的增強(qiáng)處理。拉普拉斯小波在具備“單邊衰減”特性的同時(shí)，其正交性較差，這就決定了不能用基于正交分解的傳統(tǒng)小波變化的方法來(lái)應(yīng)用拉普拉斯小波。因而，一般常用的是使用不同的拉普拉斯小波特征波形基在時(shí)域中與信號(hào)作相關(guān)運(yùn)算。其次，在完成小波濾波增強(qiáng)處理后，可按（4）式進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)落地聲的增強(qiáng)處理。

在完成基本信號(hào)的降噪與增強(qiáng)處理后，需要將終點(diǎn)彈道的氣動(dòng)噪聲和落地聲的信號(hào)片段分割出來(lái)，以便后續(xù)進(jìn)行信號(hào)的特征計(jì)算。圖5中給出了原始的降噪增強(qiáng)濾波后的信號(hào)及其相關(guān)處理結(jié)果。圖5（a）為原始降噪增強(qiáng)后的信號(hào)；圖5（b）為端點(diǎn)檢測(cè)后的結(jié)果；圖5（c）為小波包3級(jí)分解處理后的結(jié)果。由上述結(jié)果不難看出，本文所提方法能夠較好地將終點(diǎn)彈道的氣動(dòng)噪聲及落地聲進(jìn)行檢測(cè)與分割。通過(guò)大量試驗(yàn)比較，本文選擇基函數(shù)為DB4的小波包分析方法進(jìn)行音頻信號(hào)的分析。最終，通過(guò)進(jìn)行小波包分解計(jì)算各個(gè)子帶的能量，并將其作為信號(hào)的特征。最終，在判別是否發(fā)生UXO的情況時(shí)，需要按照（13）式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)終點(diǎn)彈道氣動(dòng)噪聲及落地聲與當(dāng)前聲學(xué)信號(hào)的歐拉距離，如果距離小于響應(yīng)的閾值，則可認(rèn)為當(dāng)前信號(hào)為UXO所產(chǎn)生的信號(hào)。經(jīng)過(guò)一定量的試驗(yàn)，可以認(rèn)為本文所提方法的正確識(shí)別率在90%以上。

圖4 原始落地聲的增強(qiáng)處理結(jié)果Fig.4 Enhanced results of the original landing sound

4.2 具體應(yīng)用

為了進(jìn)一步說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)方法的正確性與有效性，給出了一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的案例。假設(shè)某型彈丸的射擊試驗(yàn)中其終點(diǎn)彈道產(chǎn)生的聲學(xué)指標(biāo)的大小與距離基本能夠滿足確定的關(guān)系式，因此在進(jìn)行UXO落點(diǎn)的粗定位時(shí)，首先根據(jù)聲傳感器測(cè)量信號(hào)小波能量的特征進(jìn)行UXO的識(shí)別；再根據(jù)多個(gè)傳感器聲學(xué)指標(biāo)的大小初步確定UXO的落地區(qū)域；最終通過(guò)經(jīng)驗(yàn)量表或相關(guān)公式進(jìn)行落點(diǎn)粗定位的計(jì)算。如假設(shè)彈丸為圓柱形，則對(duì)于半徑為a的圓柱面聲源［14］，距離中心為r的一點(diǎn)的聲壓級(jí)Lp可近似由（14）式求得。不難看出，當(dāng)彈丸離聲傳感器距離越遠(yuǎn)，則由（14）式可見(jiàn)傳感器采集到的聲信號(hào)的聲壓級(jí)越小，因此依據(jù)上述原理可近似確定彈丸最終所落入的位置區(qū)域。

式中：Lw為面聲源的聲功率級(jí)。

圖5 聲信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)與小波分解處理結(jié)果Fig.5 The endpoint detection and the wavelet decomposition of acoustic signal

在得到單個(gè)聲傳感器的聲源指標(biāo)信號(hào)后，一種進(jìn)行UXO粗定位的方式是：通過(guò)大量實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，建立聲源指標(biāo)與聲源距離二者之間關(guān)系的量表。如表1所示，為某型武器射擊試驗(yàn)中所建立的聲壓級(jí)與聲源距離的量表示例。采用量表粗定位UXO的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于使用簡(jiǎn)單方便，且如果試驗(yàn)條件與量表制訂條件基本一致時(shí)，多數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系較為準(zhǔn)確。然而，采用這類方法缺點(diǎn)在于：該方法完全依靠經(jīng)驗(yàn)，而經(jīng)驗(yàn)的確定需大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支持。在真實(shí)打靶過(guò)程中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一般較少；同時(shí)由于試驗(yàn)條件的變化，經(jīng)驗(yàn)量表的結(jié)果會(huì)與真實(shí)情況有較大出入。

表1 聲壓級(jí)與聲源距離經(jīng)驗(yàn)量表Tab.1 The experience list of acoustic pressure leveland acoustic source distance

另一種粗定位的方式是采用經(jīng)驗(yàn)公式的方式進(jìn)行UXO位置的估算。參考（14）式，可假設(shè)基本的經(jīng)驗(yàn)公式服從如（15）式的形式。因此，如果在實(shí)際打靶試驗(yàn)中，只有一個(gè)聲傳感器測(cè)量到UXO的相關(guān)數(shù)據(jù)，則僅需在該聲傳感器附近區(qū)域根據(jù)量表及（15）式來(lái)進(jìn)行UXO的搜索；而當(dāng)有兩個(gè)音頻傳感器測(cè)量到UXO的音頻信號(hào)時(shí)，由圖6可知，UXO的落地坐標(biāo)（x，y）可以求解。（16）式給出了一種彈著情況下落地坐標(biāo)求解的解析式。圖6中黑色圓圈表示音頻傳感器的位置，其中將坐標(biāo)系原點(diǎn)置于一個(gè)傳感器的位置之上，則另一個(gè)傳感器的位置坐標(biāo)（x0，y0）已知；空心圓圈表示UXO的坐標(biāo)位置。而當(dāng)存在多個(gè)音頻傳感器都測(cè)量得到UXO的落地位置時(shí)，可通過(guò)冗余計(jì)算及人工經(jīng)驗(yàn)判斷的方式進(jìn)行UXO位置信息的確定。

式中：di表示落地聲源距聲學(xué)傳感器的距離；K1、K2為參數(shù)；Li表示聲傳感器采集到信號(hào)指標(biāo)的大小。

圖6 UXO坐標(biāo)粗定位原理圖Fig.6 Schematic diagram of UXO coordinate coarse positioning

表2給出了某次實(shí)彈射擊時(shí)利用本文技術(shù)得到的UXO估計(jì)坐標(biāo)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)的結(jié)果比較。表中數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的建立，是以矩形彈著區(qū)的某一個(gè)直角頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，相應(yīng)的直角邊為坐標(biāo)系的兩個(gè)軸進(jìn)行彈著點(diǎn)坐標(biāo)的定義。需要指出的是：本文所提的方法在根據(jù)聲學(xué)信號(hào)指標(biāo)大小確定UXO落入相應(yīng)傳感器布站區(qū)域時(shí)具有較高的識(shí)別精度，而進(jìn)行具體的坐標(biāo)解算時(shí)，仍然需積累大量的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行量表1與（15）式的修正。

表2 UXO位置粗定位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較Tab.2 The comparison of calculated and measured results of UXO coarse positioning

彈丸落彈區(qū)一般在方圓數(shù)百米甚至方圓上千米，在沒(méi)有以上粗定位數(shù)據(jù)的情況下，一旦UXO鉆入地下，需要很多人、長(zhǎng)時(shí)間大面積搜尋，由于彈孔小，地面植被復(fù)雜，很難進(jìn)行搜尋［15］。由表2結(jié)果可見(jiàn)，本文所提方法的粗定位結(jié)果與真實(shí)落點(diǎn)距離差一般小于10 m，1個(gè)人拿著手持GPS到達(dá)粗定位位置附近很快就會(huì)找到彈丸的鉆地孔，大大節(jié)省了大面積搜索的人力和時(shí)間消耗。

5 結(jié)論

1）本文所提方法通過(guò)對(duì)靶場(chǎng)彈著區(qū)的全區(qū)域布置低成本傳感器實(shí)現(xiàn)了靶場(chǎng)無(wú)死角的聲學(xué)快速測(cè)量。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于每一個(gè)聲學(xué)傳感器分析其采集到的聲學(xué)信號(hào)，采用FFT、拉普拉斯小波分析技術(shù)進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)的降噪與增強(qiáng)；分別計(jì)算信號(hào)的短時(shí)能量、短時(shí)幅度及短時(shí)過(guò)零率進(jìn)行氣動(dòng)噪聲與落地聲的起點(diǎn)與終點(diǎn)檢測(cè)；采用小波包技術(shù)進(jìn)行聲信號(hào)的特征提??；采用基于最小距離閾值準(zhǔn)則的方法進(jìn)行UXO終點(diǎn)彈道氣動(dòng)噪聲與落地聲的識(shí)別。通過(guò)靶場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)了本文所提方法的正確性與有效性。與光學(xué)測(cè)量、雷達(dá)測(cè)量［16］技術(shù)相比，本文所提方法具有系統(tǒng)成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2）本文所提方法的缺點(diǎn)在于：一方面，目前上述方法僅適用于單發(fā)彈丸的試驗(yàn)情況，尚不具備區(qū)分射頻較高的連發(fā)彈丸氣動(dòng)噪聲及落地聲的功能；另一方面，本文的方法定位精度有限，且暫未考慮風(fēng)速、風(fēng)向等因素的影響，常常不能直接作為彈著點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3）對(duì)于本文所提出的終點(diǎn)彈道氣動(dòng)噪聲及落地聲分析的UXO識(shí)別問(wèn)題，隨著各類UXO氣動(dòng)噪聲與落地聲信號(hào)的收集與積累，可采用諸如支持向量機(jī)分類器的方式替代現(xiàn)有的基于歐拉最小距離的UXO識(shí)別計(jì)算方法，為進(jìn)一步提高全系統(tǒng)的智能化處理能力提供支持。在未來(lái)，隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，“數(shù)字靶場(chǎng)”的建設(shè)將成為可能，通過(guò)結(jié)合彈著時(shí)的地震波信號(hào)、圖像信號(hào)，可進(jìn)一步提高對(duì)UXO識(shí)別及位置坐標(biāo)測(cè)量的精度。

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UXO Detection Based on Terminal Ballistics Acoustic Signal Analysis of Aerodynamic Noise and Landing Sound

ZHANG Ya-hui1，WANG Yu-long1，LIU Hao-ting2，LI Hong-kai1，ZHU Wang-fei1，YU Qin-lan1
（1.Huayin Ordnance Test Center，Huayin 714200，Shaanxi，China；2.Beijing Institute of Aerospace Control Instrument，Beijing 100094，China）

For the location problem of unexploded ordnance（UXO）in the processes of conventional weapon test，military training and exercises，a low cost UXO detection method of the terminal ballistics is presented.According to the size of the impact area，many low cost acoustic sensors are installed in shooting range.The measuring range of these sensors covers the whole impact area.As for the signals of aerodynamic noise and the landing sound，which are captured by each acoustic sensor，the computation is implemented to used FFT and Laplace wavelet to denoise and enhance the original acoustic signal；use the short time energy，short time amplitude，and short time zero-crossing rate to detect the endpoint of these signals above；use the wavelet packet to collect the features of the enhanced signal；and use the minimized distance-based threshold criterion to identify the aerodynamic noise and the landing sound. The test results of UXO location in the shooting range show that the proposed technique can be used for UXO location and the location accuracy can reach 10 m.

ordnance science and technology；unexploded ordnance；endpoint detection；wavelet analysis；feature identification；acoustic location

TP29

A

1000-1093（2015）08-1525-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.021

2014-11-06

總裝備部重點(diǎn)預(yù)先研究項(xiàng)目（2012SY32B004）

張亞輝（1979—），男，工程師。E-mail：yahui.32@qq.com