聲探測(cè)技術(shù)在反狙擊系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳新捷　郗曉田　游林儒

摘 要：為了更有效地打擊狙擊手,降低狙擊手的威脅和傷亡率,設(shè)計(jì)了狙擊手聲探測(cè)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由4個(gè)成立體正方形的聲傳感器陣列、多通道聲信號(hào)同步采集器和TMS320高速信號(hào)處理器及實(shí)時(shí)顯示部分構(gòu)成。采用基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法進(jìn)行時(shí)延估計(jì),避免了信號(hào)和噪聲先驗(yàn)知識(shí)難以獲知的缺點(diǎn)和信號(hào)平穩(wěn)性的約束,保證了空間定位的準(zhǔn)確性。最后經(jīng)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：聲探測(cè);反狙擊;時(shí)延估計(jì);定位算法

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-004-03

Application of Sound Survey Technology in Counter-ambush System

WU Xinjie,XI Xiaotian,YOU Linru

(School of Automation,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China)

Abstract：To attack the sniper effectively and reduce sniper′s threat and the casualty rate,the sniper sound survey positioning system is designed.System is composed of four three-dimensional square sound sensor array,multi-channel sound signal synchronization gathering and TMS320 high speed signal processor and real-time display part.Using the generalized related time-delay estimation method which based on the wavelet transformation,the shortcomings are avoided which the signal and the noise apriori knowledge is difficult to gain and the signal stable restraint,it guarantees the space orientation accuracy.〧inally,simulation proves the method is effective.

Keywords：sound survey;counter-ambush;time-delay estimation;location algorithm

0 引 言

對(duì)付狙擊手一直以來(lái)都沒(méi)有很好的技術(shù)手段,一般采用“以毒攻毒”,即以己方的狙擊手對(duì)付敵方的狙擊手的方式。然而這種方式存在著太多的不確定性,不能確保發(fā)現(xiàn)敵方的狙擊手,因此不適于不容有失的安全保衛(wèi)行動(dòng)。隨著技術(shù)的發(fā)展,很多國(guó)家開(kāi)發(fā)出狙擊手探測(cè)系統(tǒng),主要有聲探測(cè)系統(tǒng)、紅外探測(cè)系統(tǒng)和激光探測(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)或以被動(dòng)方式測(cè)定射擊彈道、確定狙擊手位置,或以主動(dòng)方式發(fā)現(xiàn)潛伏的狙擊手,在一定程度上緩解了狙擊手的威脅。

紅外反狙擊手探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)槍口閃光和飛行彈丸的紅外信號(hào),來(lái)確定敵方狙擊手的位置。紅外探測(cè)器可以探測(cè)子彈出膛時(shí)的閃光,發(fā)現(xiàn)1 km距離內(nèi)視線不被阻斷的目標(biāo)。激光反狙擊手探測(cè)系統(tǒng)利用的是“貓眼”效應(yīng),貓眼在黑暗中發(fā)光,是由于貓的視網(wǎng)膜比身體其他部位的反射能力強(qiáng)。同樣,即狙擊手的瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡也比周圍背景的反射能力強(qiáng),當(dāng)不可見(jiàn)光波段的激光束照射到其表面時(shí),就會(huì)產(chǎn)生狙擊手不易察覺(jué)而激光探測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到的較強(qiáng)反光,從而發(fā)現(xiàn)狙擊手。狙擊手聲探測(cè)定位系統(tǒng)(如圖1)通過(guò)布置一系列聲傳感器,通過(guò)精確測(cè)定槍口激波和彈丸飛行激波到達(dá)每個(gè)傳感器的時(shí)間差,可以精確計(jì)算出射擊位置,以及彈丸飛行彈道、飛行速度和槍械口徑。

在國(guó)外,聲信號(hào)探測(cè)是價(jià)格最低廉、測(cè)定最精確、使用最廣泛的狙擊手探測(cè)系統(tǒng),而國(guó)內(nèi)在這方面的研究還比較少?，F(xiàn)以聲探測(cè)技術(shù)在反狙擊系統(tǒng)中的應(yīng)用為目的,對(duì)該系統(tǒng)的組成及定位方法進(jìn)行研究。

圖1 狙擊手聲探測(cè)定位系統(tǒng)

1 系統(tǒng)的組成

圖2為被動(dòng)聲定位系統(tǒng)的硬件部分。系統(tǒng)將采集到的聲信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理器,通過(guò)時(shí)延估計(jì)和定位算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。

圖2 系統(tǒng)方框圖

(1) 傳聲器是智能雷彈系統(tǒng)的耳朵,它通過(guò)其敏感元件把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再經(jīng)過(guò)前置精密放大電路后以電壓形式輸出。其質(zhì)量和性能直接影響到系統(tǒng)的精度和能否正確反映被測(cè)信號(hào)的全部信息。本系統(tǒng)采用的是駐極體式電容傳聲器。

(2) 因?yàn)槁曉吹奈恢貌煌?到達(dá)接收器的信號(hào)幅度強(qiáng)弱不同,因此選用數(shù)控放大電路。

(3) 信號(hào)采集電路的分辨率和采樣率是影響時(shí)延估計(jì)精度的重要因素,因此,采集電路的設(shè)計(jì)必須采用高分辨率,高采樣率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(4) DSP是信號(hào)處理的核心,處理速度影響整個(gè)反狙擊系統(tǒng)的反應(yīng)速度,所以在成本允許的情況下,應(yīng)選用處理能力越強(qiáng)、運(yùn)算速度越快的DSP。本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320C6711浮點(diǎn)型DSP芯片,其指令周期為6.7 ns。

(5) 由于DSP直接接口需要DSP插入大量的等待周期,會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)顯示與高速顯示存在難以調(diào)和的矛盾,影響了通用方便性。鑒于此,用一片單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示功能,DSP只要往外部存儲(chǔ)器里寫進(jìn)數(shù)據(jù),單片機(jī)根據(jù)讀出的信息看是否顯示,這樣方便了編制程序以顯示DSP的運(yùn)行狀態(tài),克服了上述矛盾。

(6) 由于測(cè)量精度的原因(假設(shè)目標(biāo)距離為100 m,如果測(cè)出的角度有0.1°的誤差,則子彈擊中的目標(biāo)距實(shí)際聲源將有0.17 m的誤差)及怕誤傷到別人,因此本系統(tǒng)中未包含狙槍自動(dòng)反擊部分,而只是對(duì)目標(biāo)方位進(jìn)行檢測(cè)和顯示,人為進(jìn)行反擊。

2 系統(tǒng)定位原理及算法

2.1 基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)

廣義相關(guān)法是在估計(jì)接收信號(hào)的相關(guān)函數(shù)之前,首先對(duì)其進(jìn)行預(yù)濾波,即等效于頻域的加權(quán)處理,以對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行白化處理,增強(qiáng)信號(hào)中信噪比較高的頻率部分,抑制噪聲功率,從而獲得更好的時(shí)延估計(jì)精度。廣義相關(guān)的權(quán)函數(shù)一般有4種,它們都需要信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)知識(shí),而在實(shí)際應(yīng)用中并不都知道信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)知識(shí),特別是不知道噪聲的先驗(yàn)知識(shí)。同時(shí)它仍沒(méi)能取消信號(hào)必須是平穩(wěn)的這個(gè)假設(shè)條件。這就限制了時(shí)延估計(jì)的應(yīng)用,降低了時(shí)延估計(jì)的精度。為此本文將小波分析引入相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法中來(lái)克服上述缺點(diǎn)。

小波分析是把時(shí)域分析的頻率域表征為尺度域,即用聯(lián)合的時(shí)間和尺度平面來(lái)描述信號(hào),由于小波的多分辨分析和小波包的多層分解,使它同時(shí)兼顧了短時(shí)傅里葉變換和時(shí)頻分析的特點(diǎn),故在處理非平穩(wěn)信號(hào)中有一定的優(yōu)勢(shì),由相關(guān)理論知：x(t)與Ψa(t)的相關(guān)為：

R﹛Ψa(τ)=∫∞－∞x*(t)1[]aΨt－τ[]a[SX)]dt

(1)

當(dāng)x(t)為實(shí)數(shù)時(shí),式(1)變?yōu)椋?/p>

R﹛Ψa(τ)=∫∞－∞x(t)1[]aΨt－τ[]adt

(2)

在x(t)與Ψa(t)均為實(shí)數(shù)時(shí),可知：

WTx(a,τ)=aR﹛Ψa(τ)

從而說(shuō)明了x(t) 相對(duì)基小波Ψ(t)的小波變換就是x(t)與Ψa(t)=1[]aΨt[]a相關(guān)且乘以系數(shù)a。

借鑒廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)理論的加權(quán)法,在此用基小波在不同尺度下的頻譜Ψ*(aω)對(duì)相關(guān)譜密度函數(shù)G﹛1x2(ω)進(jìn)行加權(quán),從而得到了基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)。

R﹜1y2(τ)=F－1{G﹜1y2(ω)}=WT㏑﹛1x2(a,τ)=

1[]2π∫∞－∞G﹛1x2(ω)φg(ω)e﹋ωτdω=

a[]2π∫∞－∞G﹛1x2(ω)Ψ*(aω)e﹋ωτdω

(3)

其中:

φg(ω)=aΨ*(aω)。

這就相當(dāng)于用小波產(chǎn)生h1(t)和h2(t)以形成權(quán)函數(shù)：

φg(ω)=H1(ω)H*2(ω)=aΨ*(aω)

(4)

這就是說(shuō),在相關(guān)前,利用小波分別對(duì)信號(hào)x1(t)和x2(t)進(jìn)行濾波。因?yàn)樾〔訖?quán)相對(duì)經(jīng)典加權(quán)不需要信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)知識(shí),這也可說(shuō)在x1(t)和x2(t)相關(guān)后再用小波變換處理其相關(guān)函數(shù)R﹛1x2(τ)。

2.2 定位算法

聲探測(cè)定位技術(shù)是利用目標(biāo)發(fā)出的噪聲來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的。如何設(shè)計(jì)性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理的聲陣是被動(dòng)聲定位的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳聲器陣列可分為線陣、面陣和立體陣。線陣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但線陣只能對(duì)陣列所在直線為界的半個(gè)平面進(jìn)行定位。面陣可以在整個(gè)平面對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位,也可以對(duì)陣列所在平面為界的半個(gè)空間進(jìn)行定位。立體陣則可以對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行定位,但其算法要復(fù)雜的多。從實(shí)際應(yīng)用角度考慮,采用立體正方形陣來(lái)進(jìn)行目標(biāo)定位。

立體陣聲探測(cè)定位系統(tǒng)傳聲器的布置如圖3所示。其中S表示目標(biāo)點(diǎn)聲源,M1,M2,M3和M4分別表示4個(gè)傳聲器。采用直角坐標(biāo)系表示,4個(gè)傳聲器位于xoy平面上。設(shè)基陣邊長(zhǎng)為L(zhǎng),M1,M3高為h,則傳聲器的坐標(biāo)分別為M1(L/2,L/2,h),M2（L/2,L/2,0),M3（L/2,-L/2,h),M4(L/2,-L/2,0)。目標(biāo)點(diǎn)聲源的坐標(biāo)為(x,y,z)。S點(diǎn)距原點(diǎn)距離為r,目標(biāo)方位角為φ,仰角為θ,設(shè)聲源S到M1,M2,M3和M4的距離分別為r1,r2,r3和r4。并規(guī)定d﹊j表示傳聲器Mi與Mj距點(diǎn)聲源的距離差,即:

d﹊j=SMi-SMj

圖3 傳聲器立體陣

在直角坐標(biāo)系中,可以得到如下方程組:

x2+y2+z2=r2

(x-L/2)2+(y-L/2)2+(z-h)2=r21

(x+L/2)2+(y-L/2)2+z2=(r1+d21)2

(x+L/2)2+(y+L/2)2+(z-h)2=(r1+d31)2

(x-L/2)2+(y+L/2)2+z2=(r1+d41)2

(5)

解方程可得：

tan φ=(d31+d42)/(d31-d42)

cos θ=[KF()d231+d242[KF]]/[KF()2[KF]]l

(6)

3 仿 真

由于小波變換中所用基小波具有不惟一性且在小波變換中采用不同的小波基分析同一個(gè)問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果,則基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)法存在最優(yōu)小波基的選擇問(wèn)題。這里主要是通過(guò)用小波分析方法處理信號(hào)的結(jié)果與理論接觸的誤差來(lái)判定小波基的好壞,并由此選定小波基。該仿真在分析所有基小波特點(diǎn)并進(jìn)行大量的、不同條件下仿真實(shí)驗(yàn)后,確定用dbN小波作為該時(shí)延估計(jì)法的基小波(選用db8,如圖5所示)。需要說(shuō)明的是基小波symN和coifN與dbN具有相似性,所以這里也給出基于sym4和coif5小波的仿真圖，如圖5所示。

為觀察方便,由相關(guān)運(yùn)算引起的仿真輸出互相關(guān)函數(shù)在時(shí)間軸上平移了500個(gè)點(diǎn)在圖中都沒(méi)有減去。也就是說(shuō)實(shí)際估計(jì)延遲時(shí)間應(yīng)該等于輸出互相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間減去相關(guān)運(yùn)算點(diǎn)數(shù)。

該仿真采用非平穩(wěn)信號(hào)s(t)=2sin(2πft+qt),加入均值為零、方差為常數(shù)的高斯白噪聲,其中f=30,﹒=4。運(yùn)算點(diǎn)數(shù)為L(zhǎng)=500,延遲點(diǎn)數(shù)為D=48。

對(duì)比各圖可知基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)法不僅取消了直接相關(guān)時(shí)延估計(jì)法的假設(shè)條件,而且提高了時(shí)延估計(jì)精度,增加了時(shí)延估計(jì)的方法,擴(kuò)大了時(shí)延估計(jì)的應(yīng)用范圍。

圖4 直接相關(guān)波形圖

圖5 基于小波變換的波形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

概述了聲波定位技術(shù)在反狙擊系統(tǒng)中的應(yīng)用,分析了系統(tǒng)的組成部分,提出基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法,克服了傳統(tǒng)的相關(guān)時(shí)延估計(jì)法的缺點(diǎn),提高了時(shí)延估計(jì)精度和應(yīng)用范圍。該方法的缺陷是不能在每一個(gè)尺度上都很好地估計(jì)時(shí)延,同時(shí)有必要從理論上證明時(shí)延估計(jì)的最佳尺度。該系統(tǒng)的制作方法同樣適用于反坦克及反直升機(jī)系統(tǒng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 吳新捷 男,1984年出生,在讀碩士。研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

郗曉田 男,1959年出生,副教授。研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芘c機(jī)器智能。

游林儒 男,1956年出生,教授。研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及信號(hào)處理。