基于超聲波的雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)分區(qū)域識(shí)別定位方法

鄧光明,張海良,焦國(guó)太,龔玉帥

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西太原 030051;2.山西北方惠豐機(jī)電有限公司,山西長(zhǎng)治 046012)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,地雷正向著智能化、多用途方向發(fā)展,技術(shù)含量越來(lái)越高,障礙寬度越來(lái)越大,出現(xiàn)了智能地雷、組網(wǎng)雷陣等。它們不僅可以攻擊坦克,還可以打擊超低空飛行的直升機(jī)和巡航導(dǎo)彈,也可以用來(lái)封鎖敵方機(jī)場(chǎng)上起降的飛機(jī)[1]。但雷場(chǎng)會(huì)因敵方排雷、掃雷、攻擊目標(biāo)有效爆炸或其他可能出現(xiàn)的異常情況而使雷場(chǎng)中某些地雷受到破壞,造成雷場(chǎng)中出現(xiàn)缺口,這樣必然會(huì)影響雷陣對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、定位和區(qū)域封鎖效果,應(yīng)采取相關(guān)措施對(duì)缺口進(jìn)行偵測(cè)和修復(fù)。而雷場(chǎng)變化應(yīng)急最直接、最快的辦法是對(duì)雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)周?chē)南噜徆?jié)點(diǎn)的掌控與定位,一旦節(jié)點(diǎn)消失,周?chē)泥徆?jié)點(diǎn)能快速感知,并采取措施去填補(bǔ)或修復(fù),這就要求其鄰雷定位方法能適應(yīng)雷場(chǎng)快速反應(yīng),能在雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)靜止的狀況下,偵測(cè)鄰雷位置;同時(shí)要求定位裝置體積較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗較低。目前的雷場(chǎng)定位技術(shù)研究主要集中在使用聲、毫米波等對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與定位上[1],而對(duì)雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)定位研究?jī)H處在初步階段,主要傾向于通過(guò)自組織方式構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),建立網(wǎng)絡(luò)同步,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位[2],但專門(mén)針對(duì)鄰雷的雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)定位未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本文針對(duì)此問(wèn)題,提出了一種基于超聲波的雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)分區(qū)域識(shí)別定位方法。

1 分區(qū)域識(shí)別方法

分區(qū)域識(shí)別方法又叫多象限分區(qū)域識(shí)別方法,目前該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種探測(cè)與目標(biāo)識(shí)別任務(wù)中,防空導(dǎo)彈就是利用光學(xué)或無(wú)線電等發(fā)射天線進(jìn)行分象限探測(cè),通過(guò)對(duì)目標(biāo)的光電特性識(shí)別進(jìn)行探測(cè)與定位的[3-4]。但將該方法與聲學(xué)相結(jié)合進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)與定位尚未見(jiàn)報(bào)道。

當(dāng)前研究較多的聲學(xué)定向方法主要有時(shí)延差定向法、時(shí)延估計(jì)法、聲強(qiáng)向量法,以及對(duì)時(shí)延估計(jì)法和聲強(qiáng)向量法進(jìn)行聯(lián)合使用[5]等,并已在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。而本方法將分區(qū)域識(shí)別方法引入到聲學(xué)定位中,通過(guò)多傳聲器之間在探測(cè)器的圓周上的均勻排布,形成傳聲器陣列,人為地將圓周分成多個(gè)區(qū)域,如圖1所示。當(dāng)目標(biāo)位于探測(cè)距離之外時(shí),探測(cè)器處于截止?fàn)顟B(tài);一旦目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域,傳聲器陣列就立即作出反應(yīng),然后信號(hào)處理系統(tǒng)可以根據(jù)陣列的反應(yīng)情況和采集到的信號(hào),采取相關(guān)的算法進(jìn)行目標(biāo)的位置判斷。

圖1 目標(biāo)方位信息判斷圖Fig.1 Target bearing information judgment chart

2 基于超聲波的雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)分區(qū)域識(shí)別定位原理

2.1 節(jié)點(diǎn)定位原理

本節(jié)點(diǎn)定位方法運(yùn)用分區(qū)域識(shí)別方法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定向,即在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上安裝多個(gè)超聲波發(fā)射裝置,使超聲波在同一時(shí)刻向周?chē)?60°發(fā)射,在另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上按一定角度均勻安裝若干個(gè)超聲波接收裝置,由于雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)體積小,節(jié)點(diǎn)間測(cè)距距離遠(yuǎn),節(jié)點(diǎn)上的相鄰超聲波接收頭接收到超聲波信號(hào)的時(shí)間差很小,可以忽略不計(jì),可以認(rèn)為在同一節(jié)點(diǎn)上的超聲波接收頭在各自響應(yīng)區(qū)域內(nèi)能同時(shí)接收到超聲信號(hào)。超聲波傳感器有一定的指向性,其接收區(qū)域角為60°,當(dāng)相鄰超聲波接收頭之間角度小于60°時(shí),兩者的接收區(qū)域?qū)a(chǎn)生信號(hào)接收重疊區(qū)域,即在此區(qū)域內(nèi)兩接收頭將同時(shí)發(fā)生響應(yīng)。當(dāng)多個(gè)超聲波接收頭(大于6個(gè))均勻分布于雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)上時(shí),超聲波接收頭越多,相鄰接收頭之間角度越小,在單個(gè)超聲波接收的60°區(qū)域內(nèi)形成的不同的重疊響應(yīng)區(qū)域越多,即可區(qū)分的識(shí)別區(qū)域也越多,因此可以根據(jù)在同一時(shí)刻不同的重疊響應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的超聲波接收頭的響應(yīng)情況來(lái)確定聲源所在方向,即可以通過(guò)對(duì)該區(qū)域內(nèi)發(fā)生響應(yīng)的超聲波接收頭進(jìn)行識(shí)別來(lái)判斷超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)所在的方向。采用這種方法可以將超聲波接收區(qū)域識(shí)別范圍大幅減小,提高節(jié)點(diǎn)定位精度。

以10個(gè)接收頭為例,如圖2所示,圖中將單個(gè)超聲接收區(qū)域劃分成了3個(gè)可識(shí)別區(qū),對(duì)每個(gè)超聲接收頭按順序進(jìn)行編號(hào),當(dāng)A區(qū)有超聲波信號(hào)時(shí),2、3號(hào)超聲波接收頭接收到信號(hào);在B區(qū)有超聲波信號(hào),僅3號(hào)超聲波接收頭接收到信號(hào),而在C區(qū)有超聲波信號(hào)時(shí),3、4號(hào)超聲波頭將接收到信號(hào)。而整個(gè)節(jié)點(diǎn)接收區(qū)域被分成了20個(gè)可識(shí)別區(qū),并且每個(gè)不同的區(qū)都對(duì)應(yīng)著不同的超聲波接收頭響應(yīng),所以,當(dāng)有超聲波信號(hào)到達(dá)時(shí),控制器可以對(duì)各個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生響應(yīng)的超聲波接收頭進(jìn)行識(shí)別來(lái)判斷聲源所在區(qū)域即超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)所在的方向。

為了能探知節(jié)點(diǎn)的具體位置,需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間測(cè)距,本節(jié)點(diǎn)定位方法采用聲學(xué)和無(wú)線傳輸相結(jié)合的渡越時(shí)間測(cè)距方法,利用無(wú)線傳輸確定時(shí)間基準(zhǔn),通過(guò)超聲波傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離,如圖3所示。首先由節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送無(wú)線通訊信號(hào),同時(shí)發(fā)送若干個(gè)周期的超聲波信號(hào);節(jié)點(diǎn)B接收到無(wú)線通訊信號(hào)以后,開(kāi)始計(jì)時(shí),當(dāng)接收到超聲波信號(hào)后停止計(jì)時(shí)。由于無(wú)線通訊信號(hào)傳播速度為每秒30萬(wàn)公里,通訊延時(shí)可以忽略不計(jì),節(jié)點(diǎn)B的計(jì)時(shí)數(shù)值即可視為超聲波從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的傳播時(shí)間,進(jìn)而根據(jù)超聲波的傳輸速度即可求出兩節(jié)點(diǎn)的距離[6]。

通過(guò)定向和測(cè)距相結(jié)合,就可以得出鄰雷節(jié)點(diǎn)所在的位置。

圖2 超聲波陣列的分區(qū)域識(shí)別圖Fig.2 Sub-regional recognition chart of ultrasonic array

圖3 超聲波測(cè)距原理圖Fig.3 Schematic diagram of the ultrasonic ranging

2.2 節(jié)點(diǎn)定位協(xié)調(diào)分析

在雷陣中,各雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射時(shí)間必須有著良好的協(xié)調(diào)與控制,以避免雷場(chǎng)內(nèi)超聲信號(hào)混亂,節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到幾個(gè)鄰雷節(jié)點(diǎn)的信號(hào)等情況。本方法采用的是應(yīng)答信號(hào)機(jī)制的方法,通過(guò)主節(jié)點(diǎn)去控制周?chē)徆?jié)點(diǎn)進(jìn)行定位,假設(shè)主節(jié)點(diǎn)為A,鄰節(jié)點(diǎn)為B,其工作流程如下:

第一步:節(jié)點(diǎn)A通過(guò)無(wú)線發(fā)送一個(gè)標(biāo)志信號(hào),若節(jié)點(diǎn)B接收到信號(hào),立即返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào),同時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)射;

第二步:節(jié)點(diǎn)A接收到無(wú)線回復(fù)應(yīng)答信號(hào),便立即啟動(dòng)定時(shí)和超聲波接收。等待一段時(shí)間后,接收到超聲信號(hào),則停止計(jì)時(shí),同時(shí)采用定位原理對(duì)B節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算。若沒(méi)接收到超聲信號(hào),返回步驟第一步,連續(xù)三次沒(méi)有接收到超聲信號(hào),則表明節(jié)點(diǎn)B沒(méi)在節(jié)點(diǎn)A掌控范圍內(nèi),屬于非鄰節(jié)點(diǎn),停止對(duì)節(jié)點(diǎn)B的定位,轉(zhuǎn)向第三步;

第三步:采用定位節(jié)點(diǎn)B的方法,繼續(xù)對(duì)主節(jié)點(diǎn)周?chē)溆噜徆?jié)點(diǎn)進(jìn)行定位,直到知道節(jié)點(diǎn)周?chē)械泥徆?jié)點(diǎn)的位置和方位。

通過(guò)這種方式可以避免多個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射的情況,增加了定位的魯棒性。

3 節(jié)點(diǎn)上超聲波傳感器的排布

考慮到本定位裝置是雷場(chǎng)目標(biāo)探測(cè)裝置的輔助和配合裝置,要求其節(jié)點(diǎn)定位裝置體積小,成本較低,所以對(duì)于超聲波接收頭數(shù)目的選取,應(yīng)在滿足鄰雷定位精度的情況下,盡量減少超聲波接收頭的數(shù)目。根據(jù)節(jié)點(diǎn)定位原理,對(duì)雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)接收裝置的超聲波接收頭排布問(wèn)題進(jìn)行了綜合分析,如表1所示。

表1 超聲波接收區(qū)域分布表Tab.1 Region distribution of ultrasonic reception

由表1可以看出,只有當(dāng)超聲波接收頭數(shù)n滿足式(1)時(shí),所劃分的區(qū)域數(shù)為2n,且區(qū)域角度θ均勻,易于進(jìn)行區(qū)域識(shí)別,超聲波接收頭的安裝也容易實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前的雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)布設(shè)一般是采取自動(dòng)布設(shè),通過(guò)自動(dòng)布設(shè)完成后,節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置比較分散,出現(xiàn)雷與雷的位置相對(duì)集中的機(jī)率比較小,所以對(duì)節(jié)點(diǎn)周?chē)泥徖椎恼瓶乜梢栽诙ㄎ痪认鄬?duì)較低的情況下進(jìn)行。按理論,識(shí)別區(qū)域越小,定位精度越高,但超聲波方向性比較差,且受外界環(huán)境的影響比較大,特別是風(fēng)和溫度的影響,為了能在所劃分的區(qū)域內(nèi)比較準(zhǔn)確地識(shí)別區(qū)分出來(lái)自不同方向的超聲波信號(hào),那么所形成的識(shí)別區(qū)域不能太小,應(yīng)盡量保持區(qū)域角度θ≥20°,綜合式(1)和式(2)可得:

所以,本雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)定位方法最多能對(duì)18個(gè)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別區(qū)分,并且9個(gè)超聲波接收頭的排布方式也是唯一適合鄰雷定位排布,其最大定位誤差為±10°。

節(jié)點(diǎn)上的超聲波發(fā)射頭的排布相對(duì)比較簡(jiǎn)單,只需讓發(fā)射的超聲波信號(hào)能覆蓋達(dá)到360°范圍即可。由于超聲波發(fā)射頭的發(fā)射方向角一般在60°左右,為了確保無(wú)盲區(qū)發(fā)射,采用8個(gè)超聲波發(fā)射頭,每個(gè)發(fā)射頭之間間隔45°就能達(dá)到覆蓋要求。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)以上定位方法,搭建了雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),該樣機(jī)安裝9個(gè)超聲波接收頭和8個(gè)超聲波發(fā)射頭,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所選在半徑大于25 m的開(kāi)闊的場(chǎng)地。

4.1 超聲波分區(qū)域識(shí)別定向?qū)嶒?yàn)

將兩節(jié)點(diǎn)放置于同一水平面上,距離地面20 cm高度,保持接收節(jié)點(diǎn)靜止,將發(fā)射節(jié)點(diǎn)放置在以接收節(jié)點(diǎn)為圓心的場(chǎng)地內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)進(jìn)行定向測(cè)試,布置圖如圖4所示,定向?qū)嶒?yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖4 超聲波測(cè)距原理圖Fig.4 Schematic diagram of the ultrasonic ranging

表2 超聲波定向?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Empirical datum of ultrasonic orientation

由表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出:在10～20 m范圍內(nèi),誤差范圍基本可以在10°以內(nèi);但在小于10 m時(shí),10°以上達(dá)到了15%,而在大于20 m時(shí),10°以上達(dá)到了27%?？梢缘贸?本方法在近處和遠(yuǎn)處存在一些問(wèn)題,定位誤差比較大,故本定位方法比較適合在10～20 m范圍內(nèi)的鄰雷定位。其中,在近處,誤差主要由地面超聲波反射干擾等原因引起;在遠(yuǎn)處,誤差主要是由超聲波接收區(qū)域逐漸增大,加上實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境的影響,無(wú)法比較準(zhǔn)確識(shí)別引起的;另外,所采用的傳感器元件之間存在著一定的品質(zhì)差異,對(duì)微弱超聲波信號(hào)的響應(yīng)不同,對(duì)系統(tǒng)誤差存在著一定的影響。

4.2 超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)將兩節(jié)點(diǎn)放置于同一水平面上,距離地面同一高度(20 cm),通過(guò)試驗(yàn),得出最終測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental datum of ultrasonic ranging

表3數(shù)據(jù)均為加入溫度和數(shù)據(jù)補(bǔ)償后,并對(duì)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均的結(jié)果,且采用的是聲波的被動(dòng)檢測(cè),產(chǎn)生誤差均與實(shí)際符合,均在誤差允許范圍內(nèi)。由于超聲波發(fā)射器、接收器的放大電路部分以及無(wú)線信號(hào)收發(fā)過(guò)程都有一定程度的延時(shí),這會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)距精度有一定的影響。

5 結(jié)論

本文提出了一種獨(dú)立于外界設(shè)備,基于超聲波的雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)分區(qū)域識(shí)別定位方法,該方法采用多個(gè)超聲波傳感器在節(jié)點(diǎn)上按照一定規(guī)律的排布,通過(guò)分區(qū)域識(shí)別判斷聲源所在方位,同時(shí)利用聲學(xué)和無(wú)線傳輸相結(jié)合的渡越時(shí)間測(cè)距法進(jìn)行定位輔助,對(duì)雷場(chǎng)節(jié)點(diǎn)周?chē)泥徖走M(jìn)行定位。由于本次實(shí)驗(yàn)不算充分,且實(shí)驗(yàn)表明了該方法的適用范圍存在一定的局限,還需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

[1]嚴(yán)金海.聲、毫米波復(fù)合尋的系統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別與定位技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2006.

[2]高昆,趙曉輝.智能雷場(chǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J].無(wú)線電工程,2008,38(4):15-17.GAO Kun,ZHAO Xiaohui.The research of wireless sensor network for smart minefield[J].Radio Engineering,2008,38(4):15-17.

[3]曹現(xiàn)銀,萬(wàn)少松,魏小金.某定向探測(cè)引信天線分析與設(shè)計(jì)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2002,16:853-856.CAO Xianyin,WAN Shaosong,WEI Xiaojin.A design of the directional exploring fuse antenna[J].Journal of Test and Measurement Technolgy,2002,16:853-856.

[4]韓俊杰,李為民,張琳.無(wú)線電引信定向探測(cè)優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2006,34(1):69-72.HAN Junjie,LI Weimin,ZHANG Lin.Research on optimization of radio fuse orientated detection[J].Modern Defence Technology,2006,34(1):69-72.

[5]石杰,相敬林,羅建,等.聲強(qiáng)向量法與時(shí)延估計(jì)法共用同一基陣實(shí)現(xiàn)艦船體積目標(biāo)定向[J].兵工學(xué)報(bào),2007,28(5):551-556.SHI Jie,XIANG Jinglin,LUO Jian,et al.Sound intensity vector estimation and time delay estimation combined to determine the bearings of ship volume target[J].Acta Aamamentarll,2007,28(5):551-556.

[6]張楠,焦國(guó)太,張瑞剛,等.智能封鎖雷定位問(wèn)題研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2008,28(1):135-137.ZHANG Nan,JIAO Guotai,ZHANG Ruigang,et al.Study on localization of intelligent blockade land mines[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2008,28(1):135-137.