劉德耀,陳志菲,郭心偉,宋衛(wèi)華,鮑 明

(1.中國人民解放軍92941部隊,遼寧 葫蘆島 125001;2.中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所,北京 100190)

基于聲學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)的彈著點定位系統(tǒng)

劉德耀1,陳志菲2,郭心偉2,宋衛(wèi)華2,鮑 明2

(1.中國人民解放軍92941部隊,遼寧 葫蘆島 125001;2.中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所,北京 100190)

為了改變廣域靶場內(nèi)火炮系統(tǒng)彈道點測試依靠人工報靶的現(xiàn)狀,建立了基于多聲學(xué)傳感器節(jié)點的彈丸落點聲學(xué)測量系統(tǒng),以實現(xiàn)脫靶量的實時準(zhǔn)確測量。在考慮溫度和風(fēng)速等氣象環(huán)境的影響下,利用陣列定向的網(wǎng)格搜索方法和TDOA定位方法,設(shè)計了適用于火炮彈丸聲學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位的算法,通過模擬試驗和靜爆試驗進(jìn)行了測試。結(jié)果表明:測試區(qū)域邊長在300 m量級時定位誤差小于1 m,測試區(qū)域邊長在3 km量級時定位偏差在6 m以內(nèi),因此該系統(tǒng)可用于彈著點實際定位測量,對實踐應(yīng)用具有重要意義。

彈丸;落點;傳感器網(wǎng)絡(luò);聲學(xué)測量

火炮射擊準(zhǔn)確度是評估火炮系統(tǒng)效能的重要指標(biāo),也是炮兵訓(xùn)練和演習(xí)的重要科目,因此實時準(zhǔn)確報靶彈著點坐標(biāo)是火炮靶場的重要測量任務(wù)之一。

目前,靶場中火炮彈著點測量多采用人工報靶,由于其時效低,準(zhǔn)確度難以保證,已無法滿足當(dāng)前火炮系統(tǒng)測試和軍事訓(xùn)練的要求。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及聲學(xué)無源被動探測技術(shù)的優(yōu)勢,國內(nèi)外基于聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的火炮彈著點定位系統(tǒng)逐步獲得應(yīng)用[1-2]?，F(xiàn)有的彈著點定位方法大致分為基于陣列定向交匯和基于TDOA定位兩類方法。前者需要每個陣列節(jié)點對爆炸聲波進(jìn)行定向,然而在廣域復(fù)雜地形條件下,每個節(jié)點定向結(jié)果易受反射、衍射聲波影響。TDOA方法是根據(jù)爆炸聲波到達(dá)各節(jié)點的時延差進(jìn)行定位,其對應(yīng)聲程受氣象條件和地形因素影響較大[3-4]。

本文利用區(qū)域網(wǎng)格劃分和能量譜疊加改善了陣列定向交匯方法的定位性能,同時綜合考慮氣象和地形因素對聲傳播的影響,提高TDOA方法的定位性能。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了基于分布式傳聲器陣列與單傳聲器節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò),建立了適合廣域復(fù)雜地形的彈丸落點聲學(xué)測量系統(tǒng),以實現(xiàn)彈著點的實時準(zhǔn)確定位。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)與組成

彈丸落點聲學(xué)測量系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示,根據(jù)靶場地形分布可將其劃分為若干區(qū)域,在每個區(qū)域建立相應(yīng)的聲學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)最上層為主控端,用戶通過主控端實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制管理、資源調(diào)度、信息交換與數(shù)據(jù)存儲等。根據(jù)監(jiān)測區(qū)域地形特點布置聲陣列和單傳感器節(jié)點,并在特定選取區(qū)域內(nèi)設(shè)置區(qū)域主控基站。區(qū)域主控基站直接管理該區(qū)域內(nèi)的聲陣列和單傳聲器節(jié)點,通過匯集各節(jié)點的信號處理結(jié)果及原始聲信號數(shù)據(jù),在區(qū)域主控基站內(nèi)完成本區(qū)域內(nèi)彈丸落點的檢測和定位。各個區(qū)域的集合覆蓋了整個彈丸落點區(qū)域。區(qū)域主控基站與系統(tǒng)主控端的信息交互主要包括控制指令、部分修正參數(shù)、配置參數(shù)的下行和定位結(jié)果、定位參數(shù)、信號數(shù)據(jù)的上行。

系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)立氣象測量節(jié)點,直接與系統(tǒng)主控端連接,負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和氣壓等環(huán)境條件信息。

1.2 工作原理

傳聲器陣列和單傳聲器節(jié)點完成彈丸落點信號的采集。圖2為工作原理示意圖,傳聲器陣列布放在區(qū)域周圍,每個傳聲器陣列由24個傳聲器和一套信號采集處理主機(jī)組成,用于估計彈丸落點的空間譜;區(qū)域內(nèi)布設(shè)若干個單傳聲器節(jié)點,用于檢測爆炸沖擊波信號并定位[7-10]。

系統(tǒng)布設(shè)完成后,需要標(biāo)定各節(jié)點的坐標(biāo)。系統(tǒng)運(yùn)行時,彈丸落地前后各節(jié)點會采集到爆炸波和可能的彈道激波信號,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法檢測識別出爆炸波信號,而后基于陣列定向和TDOA方法進(jìn)行彈著點定位。因此,整個系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括分布式陣列校準(zhǔn)技術(shù)、爆炸波檢測技術(shù)、波達(dá)方向估計技術(shù)、TDOA定位和信息融合等技術(shù)。

2 定位算法研究

2.1 基于陣列定向交匯的定位算法模型

傳感器網(wǎng)絡(luò)所監(jiān)測區(qū)域作為一個能量場,彈丸落地爆炸后,陣列接收到的數(shù)據(jù)在落點方向的能量最強(qiáng),各陣列交叉出一個能量最強(qiáng)的區(qū)域即為炮彈落點。因此,可以將靶區(qū)范圍劃分為多個網(wǎng)格區(qū)域,利用DOA算法計算每個區(qū)域下的空間能量譜,將每個陣列計算出的能量譜疊加,譜峰對應(yīng)區(qū)塊即為彈丸落點坐標(biāo)。

如圖3所示,假設(shè)有3臺陣列Z1,Z2,Z3構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),靶區(qū)被劃分為若干網(wǎng)格,網(wǎng)格區(qū)域相對于各陣列節(jié)點的能量譜分別記為P1,P2,P3。

對于P1,每個網(wǎng)格與Z1陣列的夾角各不相同,設(shè)第i個網(wǎng)格對應(yīng)的角度為θi,i=1,2,…,K,K為網(wǎng)格總數(shù)。若Z1陣列第m通道的坐標(biāo)為(xm,ym),則其相對于參考陣元的時延為

式中:c為聲速。第m通道接收到的由θi方向入射的信號為

xmi(t)=s(t-τmi)+nm(t)

(1)

式中:s(t)為爆炸聲信號,n(t)為背景噪聲。彈丸落地爆炸聲為瞬態(tài)信號,所以待處理數(shù)據(jù)不分快拍。爆炸波的頻率主要分布在50 Hz以下,取10～50 Hz的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,設(shè)數(shù)據(jù)共分為J個頻段,將式(1)的信號表示為頻域形式為

X(wj,θi)=a(wj,θi)S(wj)+N(wj)

(2)

式中:j=1,2,…,J;X,S和N分別為式(1)中x(t),s(t)和n(t)的頻譜;a(wj,θi)=(1e-jwjτ1i…e-jwjτki)為第i個網(wǎng)格入射到陣列的信號源的導(dǎo)向矢量;wj為第j個頻點。

將上述導(dǎo)向矢量代入MUSIC算法的空間譜計算公式,得到第i個網(wǎng)格的能量譜為

(3)

式中:Un(wj)為wj頻點數(shù)據(jù)的噪聲子空間矩陣,上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置。將所有陣列數(shù)據(jù)計算出的能量譜疊加得到P=P1+P2+P3,疊加后能量譜峰值對應(yīng)的網(wǎng)格坐標(biāo)即為彈著點坐標(biāo)。

在圖3所示陣列與炸點相對位置關(guān)系下,3個陣列參考陣元坐標(biāo):Z1的坐標(biāo)為(200,900),Z2的坐標(biāo)為(1 200,1 500),Z3的坐標(biāo)為(1 000,500),真實落點在(600,800)處。圖4給出了上述方法的空間譜,圖中x和y軸為地面坐標(biāo)系,P為能量疊加后的空間譜,其中峰值對應(yīng)的坐標(biāo)(600,800)即為定位結(jié)果。

2.2 單傳聲器節(jié)點定位算法模型

單節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的彈丸落點定位采用時延差(TDOA)定位算法。如圖2所示,假定有M個單節(jié)點分布在二維平面,第p個傳感器接收到的信號為

up(k)=s(k-τp)+ηp(k)

式中:p=1,2,…,M;s(k)為爆炸聲波信號;τp為第p個傳感器接收到信號的延遲時間;ηp(k)為對應(yīng)的加性噪聲。信號、噪聲相互獨(dú)立,噪聲服從零均值高斯分布。

第p個傳感器和第1個傳感器接收到信號的TDOA表達(dá)式為τp,1=τp-τ1,p=2,3,…,M,則第p個和第q個傳感器之間的TDOA表達(dá)式為τp,q=τp,1-τq,1,p,q=2,3,…,M,考慮噪聲影響,實際的TDOA表達(dá)式為

假設(shè)(x0,y0)為目標(biāo)的位置坐標(biāo),(xp,yp)為第p個傳感器的坐標(biāo),則目標(biāo)與第p個傳感器之間的距離為

(4)

rp,1=rp-r1=cτp,1, p=2,3,…,M

(5)

由式(4)和式(5)得:

(6)

2.3 氣象環(huán)境的影響

彈丸落點區(qū)域較大時,溫度和風(fēng)場對彈丸落點測量精度影響較大。

①溫度影響。理想氣體中小振幅聲波的傳播速度為

ct≈331.6+0.6θ

(7)

式中,θ為溫度,單位為℃。爆炸波經(jīng)過近地表傳播到達(dá)聲學(xué)節(jié)點,因此根據(jù)近地氣溫變化實時修正算法中的聲速,可以實現(xiàn)定位系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償。

②風(fēng)速影響。風(fēng)對聲信號傳播產(chǎn)生的影響主要有兩個方面,一方面是風(fēng)速對實際聲速的直接影響,二是風(fēng)速梯度使聲線產(chǎn)生彎曲。野外測試場區(qū)中風(fēng)速一般為每秒幾m至十幾m,靶區(qū)中由于聲節(jié)點與彈丸落點間距一般在2 km范圍內(nèi),因此這里不考慮聲線彎曲效應(yīng)。此時,聲傳播速度等于聲速與風(fēng)速的矢量和,即有效聲速為

ce=c+vcosφ

(8)

式中:c為無風(fēng)時的聲速,v為風(fēng)速,φ為兩者夾角。通過將風(fēng)速投影到爆炸點與聲節(jié)點間的連線上,以修正不同節(jié)點的到達(dá)時延,改善TDOA方法的定位性能。

假定6個單節(jié)點均勻分布在半徑為100 m的圓周上,彈丸落點在(0,0)處,風(fēng)速矢量表示為x和y軸方向的分量的矢量和,則不同風(fēng)速矢量下Chan方法的定位偏差δ如圖5所示,圖中vx和vy分別為x軸和y軸方向的風(fēng)速。從圖中可以看出,若不考慮風(fēng)速的影響,采用Chan方法定位時,定位偏差δ隨風(fēng)速增加而逐漸增大。

彈著點監(jiān)測系統(tǒng)需要根據(jù)實際地形條件合理布設(shè)節(jié)點,在平原區(qū)域爆炸聲波較少受到地形影響,適合在其四周布設(shè)傳聲器陣列節(jié)點,通過陣列定向交匯方法確定單炮和群炮的彈丸落點;在丘陵和山地區(qū)域,通過引入地形因素對聲線路徑的影響,修正TDOA估計量,可以采用Chan方法進(jìn)行彈丸落點定位。

3 試驗驗證

3.1 模擬試驗

以平原區(qū)域為例,圖6為靶場中4個傳聲器陣列和炸點的位置圖,圓圈是陣列,星形是炸點,共有3個炸點依次引爆。試驗采用禮花模擬彈丸落點產(chǎn)生的沖擊聲信號進(jìn)行陣列定向交匯定位。為了減小陣元坐標(biāo)引入的誤差,陣列及爆點坐標(biāo)均采用全站儀進(jìn)行測量,見表1。

表1 陣列和炸點坐標(biāo)

對于B1爆炸源,各陣列通道6的沖擊聲信號波形如圖7。從圖中可以看出,4個陣列接收信號均未發(fā)生失真,可以有效提取其時延信息,其他爆炸波信號與此類似。

基于陣列定向交匯方法估計上述3個炸點坐標(biāo),定位誤差均在1m以內(nèi),其中B1的定位誤差為0.87m,B2的定位誤差為0.96m,B3的定位誤差為0.90m。

3.2 靜爆試驗

在丘陵山地區(qū)域內(nèi),利用工業(yè)炸藥爆炸模擬彈丸落地爆炸,進(jìn)行系統(tǒng)驗證試驗。試驗中,預(yù)先選擇合適的彈丸落點位置,并利用差分GPS測量該點的坐標(biāo);引爆炸藥后,系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)并利用TDOA方法進(jìn)行定位,比較測量坐標(biāo)和報靶結(jié)果以評估定位精度。

表2 靜爆試驗落點監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了包含多傳聲器節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò),建立了適合廣域復(fù)雜地形的彈丸落點聲學(xué)測量系統(tǒng),通過區(qū)域網(wǎng)格劃分和能量疊加改善了陣列定向交匯方法的定位性能,同時綜合考慮氣象和地形因素的影響,改善TDOA方法的時延差估計精度,從而實現(xiàn)彈著點的快速準(zhǔn)確定位。

本文實驗結(jié)果尚未充分考慮到實際場地的地面起伏、多徑干擾、多炮混疊等因素,且是在較高信噪比情況下得到的,后續(xù)將針對上述因素的影響進(jìn)一步改善定位算法性能,完善系統(tǒng)信息融合。

[1] 高根偉,朱煒煒,李清洲.基于聲探測的炸點坐標(biāo)測量技術(shù)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016(13):230-234. GAO Gen-wei,ZHU Wei-wei,LI Qing-zhou.Study on coordinates measurement technology of impact points based on acoustic detection[J].Science Technology and Engineering,2016(13):230-234.(in Chinese)

[2] 方俊偉.地面炮彈密集度測試系統(tǒng)的研制[D].合肥:中國科技大學(xué),2007. FANG Jun-wei.Researching on the measuring system for ground shell dispersion[D].Hefei:University of Science and Technology of China,2007.(in Chinese)

[3] 羅曉松,馮杰,柳華林,等.基于聲震探測技術(shù)的靶場炸點坐標(biāo)測量誤差分析[J].飛行器測控學(xué)報,2014,33(2):176-181. LUO Xiao-song,FENG Jie,LIU Hua-lin,et al.A seismic-acoustic detection method for determination of the coordinates of projectile impact points at shooting ranges and error analysis[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology,2014,33(2):176-181.(in Chinese)

[4] 李建春,劉方正,章四兵.分布式多傳感器無源定位綜述[J].船舶電子工程,2013,33(9):28-31. LI Jian-chun,LIU Fang-zheng,ZHANG Si-bing.Review of the passive location technology based on distributed multi-sensor[J].Ship Electronic Engineering,2013,33(9):28-31.(in Chinese)

[5] CHAN Y T,HO K C.A simple and efficient estimator for hyperbolic location[J].IEEE Trans Signal Process,1994,42:1 905-1 915.

[6] CHAN Y T.Exact and approximate maximum likelihood localization algorithms[J].IEEE Trans on VTC,2006,55(1):10-16.

Measurement System for Projectile Impact-points Based on Acoustic Sensor Network

LIU De-yao1,CHEN Zhi-fei2,GUO Xin-wei2,SONG Wei-hua2,BAO Ming2

(1.Unit 92941 of PLA,Huludao 125001,China; 2.Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

To obtain the accurate coordinates of projectile impact-points,the acoustic sensor network(ASN)composed of distributed multi-sensor was adopted to monitor and locate the impact-points.Under consideration of atmospheric conditions,such as temperature and wind,the location algorithm was presented based on grid search and TDOA algorithm.The simulations and explosive experiments were carried out.The results show that the location error is less than 1 m in an area of 300 m×300 m.In an area of 3 km×3 km,the location error is less than 6 m.The system is feasible to locate the projectile impact-points,and it is great important in practical application.

projectile;impact point;sensor network;acoustic measurement

2016-11-17

劉德耀(1963- ),男,高級工程師,碩士,研究方向為艦炮試驗技術(shù)。E-mail:zhongqingdeyao@163.com。

TJ303.4

A

1004-499X(2017)02-0085-05