張亞輝，李　銳，李宏凱，朱望飛，張　亮

（中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西　華陰　714200）

一種聲學(xué)炸點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張亞輝，李銳，李宏凱，朱望飛，張亮

（中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西華陰714200）

針對(duì)常規(guī)兵器試驗(yàn)測(cè)試領(lǐng)域全天時(shí)地面炸點(diǎn)測(cè)試問題，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種由對(duì)講機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建的聲學(xué)炸點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)；系統(tǒng)采用遙控裝置解決測(cè)量分站對(duì)講機(jī)的發(fā)射控制問題，中心站以多對(duì)講機(jī)作為信號(hào)接收裝置，采用同步數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集回傳的聲信號(hào)；提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于爆炸能量邊沿識(shí)別的時(shí)延估計(jì)技術(shù)，用于后期數(shù)據(jù)處理和炸點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算；試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)兵器試驗(yàn)爆炸點(diǎn)的聲學(xué)定位，系統(tǒng)開發(fā)周期短、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，具有一定實(shí)用性和推廣價(jià)值。

時(shí)延；聲定位；爆炸點(diǎn)

0　引言

聲測(cè)定位技術(shù)是利用聲學(xué)與電子裝置接收聲信號(hào)以確定聲源位置的一種技術(shù)，具有全天候、低成本等優(yōu)點(diǎn)。聲學(xué)炸點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)基于被動(dòng)聲測(cè)技術(shù)，捕捉彈丸爆炸時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)，采用時(shí)延估計(jì)方法由幾何關(guān)系確定炸點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

兵器試驗(yàn)彈丸落彈范圍常常是一個(gè)數(shù)百米寬近千米甚至超過(guò)千米長(zhǎng)的矩形區(qū)域，聲學(xué)定位的陣列孔徑太小不易提高精度，所以經(jīng)常選用大孔徑布置測(cè)量分站的方法進(jìn)行定位。測(cè)量分站一般包括控制器、采集器、傳聲器、時(shí)間同步模塊和通信設(shè)備，控制器常選擇單片機(jī)、dsp或小型工控設(shè)備，時(shí)間同步模塊一般選擇GPS或BD；中心站包括通信設(shè)備和計(jì)算機(jī)。這種模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以有效完成地面炸點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)試，然而測(cè)量分站和中心站都有大量的硬件研制和軟件開發(fā)工作，應(yīng)用中設(shè)備架設(shè)較為復(fù)雜，不適用于密集開展的火炮射擊試驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于市場(chǎng)成熟產(chǎn)品改裝的炸點(diǎn)測(cè)試的系統(tǒng)，提出了基于爆炸能力邊沿識(shí)別的時(shí)延估計(jì)方法，已成功用于兵器試驗(yàn)炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)試。

1　測(cè)試原理及主要參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1測(cè)試原理

由式（1）可知，求解炮彈爆炸點(diǎn)坐標(biāo) （x，y）的關(guān)鍵在于確定（t1-t0）、（t2-t0）、（t3-t0），即爆炸點(diǎn)聲信號(hào)傳播至聲傳感器的時(shí)延。考慮到溫度、風(fēng)速對(duì)聲波傳播速度的影響，需對(duì)風(fēng)速c、公式（1）進(jìn)行修正。

1.2誤差分析

根據(jù)公式（1），系統(tǒng)測(cè)試誤差主要來(lái)源有以下3個(gè)方面：

1）布站誤差，即聲傳感器位置坐標(biāo)的測(cè)量和傳感器空間分布引入的誤差。采用專業(yè)的大地測(cè)量設(shè)備進(jìn)行傳感器位置坐標(biāo)測(cè)量，精度一般可達(dá)0.2 m。

2）時(shí)延估計(jì)精度，即提取爆炸聲波到達(dá)時(shí)刻的精度。以每路采集頻率10 k Hz計(jì)算，測(cè)時(shí)精度0.1 ms，信號(hào)處理幀間偏差10，那么時(shí)延估計(jì)精度為1 ms。

3）聲速誤差，即溫度、風(fēng)速測(cè)量誤差引起的聲速修正偏差。靶場(chǎng)常用氣象測(cè)量設(shè)備的環(huán)境風(fēng)速測(cè)試不確定度為1 m/ s，風(fēng)向測(cè)試的不確定度為15°，環(huán)境氣溫測(cè)試不確定度為0.5℃。

根據(jù)上述3條設(shè)置測(cè)試誤差仿真參數(shù)。其中，測(cè)量分站布站誤差受站址選擇的影響。當(dāng)布站方式如圖1所示時(shí)，圖中“△”代表測(cè)量分站，“○”代表落點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)160次仿真得到測(cè)試不確定度標(biāo)準(zhǔn)差δx≤2 m，δy≤2 m。

圖1　設(shè)備布站及測(cè)試精度

1.3系統(tǒng)主要硬件指標(biāo)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)如下：1）測(cè)量分站4～8個(gè)；2）落彈區(qū)散布一般在1 500 m×800 m范圍內(nèi)，測(cè)量分站在落彈區(qū)外圍，數(shù)據(jù)采集處理中心距離落彈區(qū)稍遠(yuǎn)，通信距離3 km可滿足要求；3）為采集聲波信號(hào)處理得到爆炸聲波傳播時(shí)延，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊需選用同步采集卡；4）爆炸聲波與背景相比屬于高信噪比信號(hào)，采集位數(shù)16位可滿足要求；5）彈丸爆炸聲主頻在10～160 Hz［11］，按照采樣定律，設(shè)計(jì)采集頻率大于等于4 k Hz；6）為保證系統(tǒng)總體時(shí)延估計(jì)精度盡可能優(yōu)于1 ms，分布式采集系統(tǒng)硬件、無(wú)線通信等產(chǎn)生的時(shí)延應(yīng)小于0.2 ms。

2　聲系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及同步性能分析

2.1系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由前方測(cè)量分站和后方數(shù)據(jù)處理中心組成。每個(gè)前方測(cè)量分站由聲學(xué)傳感器、對(duì)講機(jī)、遙控接收開關(guān)和蓄電池構(gòu)成；后方數(shù)據(jù)處理中心包括無(wú)線射頻遙控開關(guān)、對(duì)講機(jī)和微機(jī)，圖2是系統(tǒng)的基本構(gòu)成。

系統(tǒng)采用對(duì)講機(jī)搭建無(wú)線傳輸通道，對(duì)傳感器采集的聲信號(hào)進(jìn)行放大、回傳和接收，使用數(shù)據(jù)采集卡從接收對(duì)講機(jī)中讀取聲波數(shù)據(jù)用于炸點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算。采集卡選用研華PCI-1706同步數(shù)據(jù)采集卡，采集通道數(shù)、位數(shù)和頻率滿足1.3中設(shè)計(jì)要求。

2.2同步性能分析

圖2　系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

按照測(cè)試原理，聲信號(hào)的采集必須是同步的，同步精度優(yōu)于0.2 ms。設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用對(duì)講機(jī)采集并無(wú)線電傳輸模擬信號(hào)的方式是否能滿足同步要求是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。分析認(rèn)為，對(duì)講機(jī)內(nèi)部對(duì)聲信號(hào)的放大、調(diào)制和發(fā)射等電路采用同樣的電路設(shè)計(jì)，按照電的傳播速度，與0.2 ms的同步精度要求，它們對(duì)于信號(hào)的延遲可以忽略。對(duì)講機(jī)從1～3 km外通過(guò)無(wú)線電將信號(hào)傳回中心站的延遲，按照無(wú)線電傳播速度，延遲在3.33～10μs，也遠(yuǎn)小于0.2 ms的同步精度要求。

因此，同步性能實(shí)驗(yàn)主要考察除無(wú)線電傳播速度之外其他因素引起的時(shí)間延遲差。實(shí)驗(yàn)方法：將3個(gè)測(cè)量分站傳聲器放在同一個(gè)位置，中心站放在通信范圍之內(nèi)，在測(cè)量分站附近發(fā)出聲信號(hào)，計(jì)算各分站聲信號(hào)到達(dá)中心站微機(jī)的時(shí)間差。實(shí)驗(yàn)中，采用該數(shù)據(jù)采集卡最高采集頻率 （每通道250 k Hz，即每個(gè)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)4μs）。圖3是采集到的脈沖聲波時(shí)域圖。

圖3　脈沖聲波時(shí)域圖

實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次，經(jīng)分析計(jì)算，聲波信號(hào)到達(dá)時(shí)間差最大值24μs，平均值16μs。加上無(wú)線電傳輸延遲，系統(tǒng)總的同步偏差遠(yuǎn)小于0.2 ms，滿足設(shè)計(jì)要求。

3　數(shù)據(jù)處理中心軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件功能及流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理終端為一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)，運(yùn)行的軟件主要包括系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)處理兩部分功能。其中系統(tǒng)管理功能主要實(shí)現(xiàn)前方測(cè)量分站的錄音和數(shù)據(jù)傳輸控制、同步數(shù)據(jù)采集卡開始和停止采集控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等；數(shù)據(jù)處理功能主要實(shí)現(xiàn)爆炸聲信號(hào)處理、爆炸點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化顯示等。軟件流程如圖4所示。

圖4　軟件流程

3.2信號(hào)處理處理算法設(shè)計(jì)

1）帶通濾波。在進(jìn)行信號(hào)辨識(shí)和時(shí)延估計(jì)之前，需要對(duì)采集到的原始波形信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。這是因?yàn)橐话闱闆r下，爆炸聲波的能量集中在一個(gè)特定的頻段內(nèi)，濾除含有效信息較少的高低頻分量可排除不必要的干擾。考慮到采集設(shè)備中自身引入的低頻電流干擾，選用帶通濾波器對(duì)采集的聲音進(jìn)行預(yù)處理。本文采用的濾波器通帶頻率為80～2 500 Hz。

2）特征點(diǎn)前向檢索。已知采樣頻率Fm，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)可預(yù)知爆炸聲波的時(shí)間持續(xù)期T，則爆炸能量主要存在于接收到爆炸聲后的T時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)。采用長(zhǎng)度為L(zhǎng)、幅值為1的矩形窗作卷積運(yùn)算，即前向累加，獲取能量累積信息。

L=T*Fm

Y（i）=sigma X（i）（2）

其中：L為爆炸能量持續(xù)的幀數(shù)；X（i）為低通濾波后的信號(hào)；Y（i）為前向累積后的能量值。

由于該窗長(zhǎng)盡可能保留了有效的爆炸信息，同時(shí)平滑掉持續(xù)期相對(duì)較短、并且能量較低的干擾項(xiàng)，使特征點(diǎn)所在的區(qū)域以主峰的形式表現(xiàn)出來(lái)。

3）時(shí)延計(jì)算。以各通道處理后信號(hào)峰值的1/3～2/3為閾值處理信號(hào)，第一個(gè)達(dá)到該閾值的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻作為該通道，對(duì)應(yīng)測(cè)量分站，爆炸波的到達(dá)時(shí)刻。注意，該時(shí)刻是一個(gè)相對(duì)時(shí)刻，經(jīng)過(guò)各通道波達(dá)時(shí)刻相減可得到爆炸聲波到達(dá)各測(cè)量分站的時(shí)間差。另外，在獲取波達(dá)時(shí)刻時(shí)沒有取信號(hào)峰值作，而是取峰值1/3～2/3為閾值是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)結(jié)果，試驗(yàn)證明這樣做的精度優(yōu)于取峰值。

4　試驗(yàn)結(jié)果及討論

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)及研制系統(tǒng)的性能，采用炮竹爆炸實(shí)驗(yàn)、某型炮彈炮口和彈丸爆炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)采用本文設(shè)計(jì)研制的系統(tǒng)，軟件處理過(guò)程中采用人工處理與本文信號(hào)處理方法對(duì)比形式，信號(hào)處理軟件由Matlab語(yǔ)言編寫，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炮竹模擬實(shí)驗(yàn)

炮竹模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在數(shù)據(jù)處理中，信號(hào)處理采用人工判別爆炸時(shí)間點(diǎn)與本文算法相比對(duì)的方式，考察系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)以及本文算法的有效性。

表1　炮竹模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于炮竹在近地面爆炸，測(cè)量分站傳感器高度在1.2-1.6 m，在實(shí)驗(yàn)中只進(jìn)行了二維坐標(biāo)定位，其中傳感器高度和爆炸點(diǎn)之間的高度差也是造成誤差的一個(gè)重要原因。

4.2炮口定位

在某火炮炮位測(cè)試定位試驗(yàn)中，測(cè)試結(jié)果與炮位理論值（也是實(shí)際值）的偏差具有規(guī)律性，結(jié)果如圖5。

圖5　炮口定位精度比較

圖中可見，距離向測(cè)試結(jié)果優(yōu)于方位向，這與測(cè)量分站的布設(shè)位置有關(guān)。測(cè)試時(shí)，3個(gè)測(cè)量分站沿距離向布設(shè)，且在距離上覆蓋落彈區(qū)，因此在距離向上具有較好的辨識(shí)度。此外，測(cè)試結(jié)果存在一系統(tǒng)誤差，分析認(rèn)為與聲速的取值有關(guān)。

4.3實(shí)彈試驗(yàn)

通過(guò)某型加榴彈射擊試驗(yàn)對(duì)本文設(shè)計(jì)的炸點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。本次試驗(yàn)應(yīng)用8個(gè)測(cè)量分站，氣象條件：無(wú)風(fēng)，溫度18.5℃；測(cè)量分站布站點(diǎn)對(duì)落彈區(qū)呈包圍結(jié)構(gòu)，坐標(biāo)計(jì)算采用抗差最小二乘法進(jìn)行處理；中心站每通道采集頻率6 500 fps，采集位數(shù)16 Bit，采集幅度±10 V。圖6為某發(fā)干擾較大的爆炸聲波，聲波原始信號(hào)中含有兩處較明顯干擾，且爆炸聲和干擾都已達(dá)到采集峰值，有消頂現(xiàn)象，如圖（a）；經(jīng)過(guò)帶通濾波后含爆炸聲波和主要干擾聲波的一段處理結(jié)果如圖 （b）；經(jīng)過(guò)能量前向累計(jì)處理的結(jié)果如圖（c）。通過(guò)本文介紹的信號(hào)處理算法，干擾的幅值被抑制，目標(biāo)幅值凸顯。

表2為試驗(yàn)中一組彈丸炸點(diǎn)定位結(jié)果，以大地測(cè)量設(shè)備測(cè)得的炸點(diǎn)坐標(biāo)為真值進(jìn)行比對(duì)。

圖6　彈丸炸點(diǎn)聲信號(hào)處理

試驗(yàn)表明，采用包圍結(jié)構(gòu)布站、增加測(cè)量分站數(shù)量、采用抗差最小二乘處理數(shù)據(jù)可以獲得較高的測(cè)量精度。另外，因?yàn)轱L(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的不確定度，所以即使修正風(fēng)對(duì)聲波傳播的影響，也沒有無(wú)風(fēng)條件下測(cè)量精度高。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套實(shí)用的炸點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件部分基于市場(chǎng)成熟產(chǎn)品改造完成；中心站軟件基于數(shù)據(jù)采集卡軟件進(jìn)行開發(fā)，通過(guò)嵌入帶通濾波、能量前向累積、時(shí)延計(jì)算等數(shù)據(jù)處理模塊獲得爆炸聲波到達(dá)時(shí)間差數(shù)據(jù)，求解出炸點(diǎn)坐標(biāo)。炮竹模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)彈射擊試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)爆炸點(diǎn)的聲學(xué)定位。系統(tǒng)開發(fā)周期短、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，具有一定實(shí)用性和推廣價(jià)值。

表2　某型加榴彈炸點(diǎn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

［1］陳東明，常桂然，朱志良.基于聲學(xué)法彈著點(diǎn)精確定位方法研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2006，27 （3）：566-570.

［2］董明榮，許學(xué)忠，張彤，等.空中炸點(diǎn)三基陣聲學(xué)定位技術(shù)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31 （3）：343-349.

［3］葉建森.基于聲延時(shí)測(cè)量技術(shù)的彈落點(diǎn)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.太原：中北大學(xué)，2007.

［4］肖峰，李惠昌.聲，武器與測(cè)量［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

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［6］畢延文.基于時(shí)差法的飛行器聲被動(dòng)定位技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2005.

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Design and Application of an Acoustic Measuring System

Zhang Yahui，Li Rui，Li Hongkai，Zhu Wangfei，Zhang Liang
（Huayin Ordnance Test Center，Huayin714200，China）

An acoustic burst point test system is designed and developed by the radio and data acquisition card，for solving the problem of ground burst point test in the field of conventional weapon test.System use a remote control device to solve the radio emission control problem.Central station，by radios as signal receiving device，collects the real-time

sound signal synchronously.A time delay estimation technique based on edge recognition of explosive energy is proposed，which is used for data processing and the calculation of the blast point coordinate.The experimental results show that the system can realize the acoustic location of burst point.The system with short development cycle，high reliability and adaption，has a certain practicality and popularization value.

time delay；acoustics location；burst point

1671-4598（2016）05-0120-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.035

TP29

A

2015-11-16；

2015-12-22。

總裝備部重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目（2012SY32B004）。

張亞輝（1979-），男，陜西周至人，工程師，碩士，主要從事外彈道及終點(diǎn)彈道測(cè)試技術(shù)方向的研究。