利用聲學(xué)方法采集人工影響天氣高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)

李宏宇 王 華 賈麗佳 胡向峰 陶 玥 汪曉濱*

1)(中國氣象科學(xué)研究院 中國氣象局人工影響天氣中心，北京 100081)2)(北京市氣象臺，北京 100089) 3)(天津市寶坻區(qū)氣象局，天津 301800)4)(河北省人工影響天氣辦公室，石家莊 050021)

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利用聲學(xué)方法采集人工影響天氣高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)

李宏宇1)王 華2)賈麗佳3)胡向峰4)陶 玥1)汪曉濱1)*

1)(中國氣象科學(xué)研究院 中國氣象局人工影響天氣中心，北京 100081)2)(北京市氣象臺，北京 100089)3)(天津市寶坻區(qū)氣象局，天津 301800)4)(河北省人工影響天氣辦公室，石家莊 050021)

為提升人工影響天氣地面作業(yè)數(shù)據(jù)收集上報(bào)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，解決高射炮和火箭作業(yè)信息完全依賴人工采集錄入的瓶頸，該文基于聲學(xué)探測技術(shù)，利用地面作業(yè)數(shù)據(jù)采集傳輸儀對我國人工影響天氣作業(yè)用37 mm口徑65型雙管高射炮，于2014年7月12日和9月24日分別進(jìn)行訓(xùn)練模擬彈和JD-07型防雹增雨炮彈實(shí)彈發(fā)射數(shù)據(jù)聲級采集試驗(yàn)。分析表明：高射炮發(fā)射產(chǎn)生的前導(dǎo)噪音、聲級突升和聲級峰值，可作為高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)自動采集一種極為有效的指標(biāo)。作業(yè)站內(nèi)環(huán)境噪音聲級的明顯變化能夠有效識別單管或雙管、單次或連續(xù)發(fā)射的每發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)射時(shí)間和發(fā)射彈量的自動、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)采集；利用聲級特征采集與識別高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)，受作業(yè)站內(nèi)感應(yīng)儀器相對高射炮裝備的布設(shè)距離和方位的影響較小；前導(dǎo)噪音作為彈藥擊發(fā)的顯著標(biāo)識，可作為高射炮安全監(jiān)控重要內(nèi)容，對重大安全事故及其應(yīng)急處置能夠起到有效預(yù)警作用。利用高射炮發(fā)射每發(fā)用彈的聲級峰值進(jìn)行簡單對比，還可作為直觀檢驗(yàn)用彈質(zhì)量的一個(gè)參考。此外，高射炮每發(fā)用彈發(fā)射的方位角、仰角數(shù)據(jù)，可以利用聲級感應(yīng)陣列，并基于到達(dá)時(shí)差法聲源定位原理精準(zhǔn)計(jì)算獲得。發(fā)射位置數(shù)據(jù)還可集成GPS定位模塊實(shí)現(xiàn)自動、準(zhǔn)確地采集。

人工影響天氣； 高射炮； 地面作業(yè)； 聲級； 采集

引 言

在我國，順應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)抗災(zāi)需要，人工影響天氣業(yè)務(wù)步入了快速發(fā)展階段[1-4]，飛機(jī)和地面作業(yè)的規(guī)模、頻次不斷增加，作業(yè)信息及其數(shù)據(jù)量也相應(yīng)增多。作為人工影響天氣業(yè)務(wù)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，加強(qiáng)對人工影響天氣飛機(jī)和地面作業(yè)數(shù)據(jù)的信息化建設(shè)，及時(shí)準(zhǔn)確采集在用各類作業(yè)裝備的實(shí)際作業(yè)數(shù)據(jù)，是指導(dǎo)和進(jìn)行決策服務(wù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是科學(xué)評估作業(yè)效果的基礎(chǔ)，亦是人工影響天氣作業(yè)指揮調(diào)度與方案改進(jìn)的重要支撐，并日益受到各級氣象業(yè)務(wù)、管理部門重視。

近年來，為提高人工影響天氣業(yè)務(wù)管理現(xiàn)代化水平，國家級與各省級針對作業(yè)數(shù)據(jù)的信息化建設(shè)做了大量基礎(chǔ)性工作[5-17]，主要體現(xiàn)在全國站點(diǎn)統(tǒng)一、作業(yè)信息規(guī)范、上報(bào)流程及上報(bào)方式等方面，如2007年3月國家級人工影響天氣業(yè)務(wù)單位對全國所有人工影響天氣作業(yè)站點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一九位制編碼，并提出對站點(diǎn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集上報(bào)要求；2008年11月中國氣象局人工影響天氣中心進(jìn)一步規(guī)定作業(yè)信息的收集內(nèi)容與上報(bào)方式；2013年9月中國氣象局應(yīng)急減災(zāi)與公共服務(wù)司會同中國氣象局辦公室組織開發(fā)的基于各級氣象部門綜合管理信息系統(tǒng)平臺的全國人工影響天氣管理信息系統(tǒng)推進(jìn)業(yè)務(wù)應(yīng)用；2014年9月中國氣象局人工影響天氣中心組織研發(fā)的全國人工影響天氣作業(yè)信息采集處理系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行。此外，各省還自行開發(fā)了專用或兼用的類似業(yè)務(wù)系統(tǒng)，用以收集、上報(bào)、統(tǒng)計(jì)、分析各類作業(yè)信息，并實(shí)現(xiàn)省級內(nèi)部、省級和國家級業(yè)務(wù)部門之間的信息匯集上報(bào)。

目前，關(guān)于人工影響天氣地面作業(yè)信息管理的內(nèi)容基本均參照國家級早期規(guī)定上報(bào)的作業(yè)信息收集內(nèi)容設(shè)計(jì)和建設(shè)，即主要包括作業(yè)站點(diǎn)編號、站點(diǎn)名稱、站點(diǎn)位置(僅對移動點(diǎn))、作業(yè)日期、作業(yè)類型、用彈型號、用彈量、仰角、方位角、作業(yè)開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間、作業(yè)前后天氣狀況、作業(yè)面積、作業(yè)效果、填報(bào)單位和人員等信息。按照業(yè)務(wù)規(guī)定，作業(yè)信息應(yīng)在作業(yè)完成后24 h之內(nèi)完成上報(bào)，這樣極低的時(shí)效性，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際服務(wù)需要和業(yè)務(wù)現(xiàn)代化發(fā)展要求。而從規(guī)定上報(bào)的地面作業(yè)信息內(nèi)容看，作業(yè)面積、作業(yè)效果和作業(yè)類型、作業(yè)前后天氣狀況需結(jié)合氣象資料深入分析或判別，其上報(bào)時(shí)效性難以保證，但其余與氣象分析無關(guān)的作業(yè)數(shù)據(jù)，包括作業(yè)裝備與彈藥類型信息、站點(diǎn)基礎(chǔ)地理信息與實(shí)際發(fā)射時(shí)間、用彈數(shù)量等諸元，完全可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集和上報(bào)，以大幅提高作業(yè)信息上報(bào)的時(shí)效性。

另一方面，雖然全國各級在運(yùn)行的人工影響天氣作業(yè)信息管理類似系統(tǒng)繁雜多樣，但對地面作業(yè)數(shù)據(jù)的前端采集均來自于指揮或作業(yè)人員口頭報(bào)告或人工錄入系統(tǒng)，進(jìn)而電子入庫存檔，再向有關(guān)的業(yè)務(wù)或管理部門傳報(bào)。由于實(shí)施作業(yè)通常在降水等復(fù)雜天氣條件下，同時(shí)人為報(bào)告、錄入數(shù)據(jù)不可避免地易發(fā)生故意或無意疏漏，極易導(dǎo)致收集上報(bào)的作業(yè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性無法保證。指揮或管理部門難以實(shí)時(shí)把控實(shí)際作業(yè)情況和精準(zhǔn)的用彈信息，也直接制約了安全管理在內(nèi)的其他業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的順利開展。

為解決人工影響天氣地面作業(yè)數(shù)據(jù)完全依賴人工采集錄入的瓶頸及可能引發(fā)的安全管理問題，切實(shí)提升作業(yè)數(shù)據(jù)收集上報(bào)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，急需發(fā)展更適用的作業(yè)數(shù)據(jù)采集方法。除了設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)自動控制發(fā)射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對作業(yè)數(shù)據(jù)自動存儲外[11-13]，通過對作業(yè)裝備改造和利用作業(yè)現(xiàn)場聲、光或振動效果來實(shí)現(xiàn)對地面作業(yè)數(shù)據(jù)的自動感應(yīng)，也可以作為有效的技術(shù)途徑，而利用作業(yè)現(xiàn)場強(qiáng)噪音或振動的特征來自動感應(yīng)并識別高射炮和火箭兩類常用作業(yè)裝備的作業(yè)數(shù)據(jù)，還具有成本低廉和無任何安全隱患的優(yōu)勢。本文通過對人工影響天氣作業(yè)使用的37 mm口徑65型雙管高射炮進(jìn)行訓(xùn)練模擬彈和JD-07型防雹增雨炮彈發(fā)射數(shù)據(jù)現(xiàn)場聲級采集分析，為人工影響天氣地面高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)自動采集業(yè)務(wù)及相關(guān)服務(wù)提供技術(shù)支持。

1 原理和方法

人類生活環(huán)境被各種聲音所包圍。通常情況下，那些不希望聽見的聲音被稱為噪聲，如環(huán)境噪聲、交通噪聲等。按聲源不同，環(huán)境噪聲可以分為機(jī)械噪聲、空氣動力性噪聲和電磁性噪聲[18-19]。按照噪聲時(shí)間變化特性，可分為4種情況：①噪聲的強(qiáng)度隨時(shí)間變化不顯著，稱為穩(wěn)定噪聲，如電機(jī)、織布機(jī)的噪聲；②噪聲的強(qiáng)度隨時(shí)間有規(guī)律地起伏，周期性地時(shí)大時(shí)小的出現(xiàn)，稱為周期性變化噪聲，如蒸汽機(jī)車的噪聲；③噪聲隨時(shí)間起伏變化無一定的規(guī)律，稱為無規(guī)噪聲，如街道交通噪聲；④如果噪聲突然爆發(fā)又很快消失，持續(xù)時(shí)間不超過1 s，則稱為脈沖聲，如沖床噪聲、槍炮噪聲等。

物理學(xué)里，聲壓是空氣受聲波干擾而產(chǎn)生的壓力增值，單位是帕斯卡(Pa)。聲波在空氣中傳播時(shí)壓縮和稀疏交替變化，所以壓力增值也正負(fù)交替。通常說的聲壓取均方根，為有效聲壓。聲級是聲壓級的簡稱[19]，是指以對數(shù)尺衡量有效聲壓相對于一個(gè)基準(zhǔn)值大小，單位為分貝(dB)，計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,Lp是聲級或聲壓級(單位：dB),p為聲壓(單位：Pa),p0是基準(zhǔn)聲壓，在空氣中p0等于2×10-5Pa(即20微帕)，該值是正常人耳對1 kHz聲音的聽閾(即產(chǎn)生聽覺的最低聲壓)。聲級作為噪聲評價(jià)的基本量，常用于簡單地反映噪聲強(qiáng)弱與其產(chǎn)生的危害。聲級計(jì)則是一種能將工業(yè)噪聲、生活噪聲和交通噪聲等按人耳聽覺特性近似地測定其噪聲級的儀器，已被廣泛地用于工業(yè)噪聲和環(huán)境噪聲測量,適用于工廠企業(yè)、環(huán)境保護(hù)、勞動衛(wèi)生、交通、教學(xué)、科研等多部門的聲測試領(lǐng)域。

目前，我國人工影響天氣地面防雹增雨作業(yè)以65型雙管37 mm高射炮和專用火箭作業(yè)系統(tǒng)為主要裝備，作業(yè)現(xiàn)場具有噪聲大、振動強(qiáng)兩個(gè)極為顯著的特點(diǎn)。本文利用可測量高聲級的便攜式、高精度聲學(xué)測量儀器，基于聲級感應(yīng)技術(shù)[19]來自動采集人工影響天氣作業(yè)站高射炮發(fā)射現(xiàn)場的噪音聲級，通過對訓(xùn)練模擬彈和人雨彈實(shí)彈發(fā)射聲級特征(變化規(guī)律、峰值高低等)詳細(xì)分析,實(shí)現(xiàn)對高射炮實(shí)際作業(yè)數(shù)據(jù)的自動感應(yīng)與識別，包括高射炮單次發(fā)射和連續(xù)發(fā)射時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)射時(shí)間、用彈數(shù)量等。

2 試驗(yàn)裝備與儀器

2.1 人工影響天氣三七高射炮

人工影響天氣高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)自動采集試驗(yàn)中使用的作業(yè)裝備，為我國人工防雹增雨作業(yè)廣泛使用的口徑為37 mm的65型雙管高射炮。該高射炮系統(tǒng)的火炮是在1955年定型的55式37 mm單管高射炮基礎(chǔ)上發(fā)展而來，1965年設(shè)計(jì)定型并投入大批量生產(chǎn)。炮身長2739 mm，身管長2315 mm，后坐長150～180 mm，理論最大射程為8500 m，最大射高6700 m。高低射界為-10°～85°，方向射界為360°。高射炮發(fā)射時(shí)，仰角和方位角可以任意、快速調(diào)節(jié)。該炮采用立楔式炮閂，由彈夾供彈，反后坐裝置包括節(jié)制桿式液壓制退機(jī)和復(fù)進(jìn)彈簧，彈夾裝彈5發(fā)，彈倉容彈量為10發(fā)，安裝供彈漏斗后可實(shí)現(xiàn)多彈夾連續(xù)供彈。平均炮口速度不低于866 m/s，連發(fā)射擊射速320～360發(fā)/min(雙管)?；鹋谟墒謩硬僮?，高低和方向瞄準(zhǔn)有兩種速度。火炮裝有機(jī)構(gòu)同步擊發(fā)裝置，可使兩管炮發(fā)射循環(huán)周期的時(shí)差避免累積，達(dá)到基本同步。

高射炮作業(yè)試驗(yàn)分別使用了55式37 mm高射炮訓(xùn)練模擬彈和裝有碘化銀的人工影響天氣專用JD-07型37 mm防雹增雨炮彈。其中，JD-07型37 mm 防雹增雨炮彈全彈由冗余并聯(lián)雙路延時(shí)自炸引信、彈丸(含炸藥、碘化銀)、藥筒、藥筒裝藥、底火等部分組成。全彈質(zhì)量為1.26 kg，彈丸質(zhì)量為0.73 kg，彈丸中AgI含量為1 g。55式37 mm高射炮訓(xùn)練模擬彈可模擬37 mm防雹增雨炮彈實(shí)彈射擊，在聲光感效果上同于實(shí)彈射擊。彈丸長度為19 cm，彈丸質(zhì)量為0.56 kg，也由彈丸(不含炸藥)、藥筒、藥筒裝藥、底火等部分組成。

2.2 聲級感應(yīng)儀器

針對人工影響天氣高射炮和火箭作業(yè)現(xiàn)場發(fā)出的強(qiáng)噪聲進(jìn)行應(yīng)用研究，試驗(yàn)定制使用了杭州愛華儀器有限公司生產(chǎn)的AWA5661-3C型多功能聲級計(jì)?；谠撔吐暭売?jì)的傳聲器和主機(jī)兩個(gè)核心模塊，結(jié)合人工影響天氣固定作業(yè)站、移動作業(yè)點(diǎn)的信息采集和傳輸需要，2014年8月中國氣象局人工影響天氣中心與新晨科技股份有限公司合作，進(jìn)一步集成定位模塊、無線傳輸模塊，研制出適用于人工影響天氣地面高射炮和火箭作業(yè)數(shù)據(jù)采集傳輸需專用儀器——WMS-SLM-01型人工影響天氣地面作業(yè)數(shù)據(jù)采集傳輸儀。該設(shè)備外形尺寸280 mm×199 mm×90 mm，質(zhì)量為3.25 kg，主要由機(jī)箱和主板、聲級感應(yīng)模塊、3G/WiFi模塊和GPS模塊組成。

WMS-SLM-01型人工影響天氣地面作業(yè)數(shù)據(jù)采集傳輸儀傳聲器的外徑為6.35 mm，標(biāo)稱靈敏度為4 mV/Pa，頻率范圍為10～20000 Hz，頻率計(jì)權(quán)分A計(jì)權(quán)、C計(jì)權(quán)、Z計(jì)權(quán)，A計(jì)權(quán)本機(jī)噪聲小于37 dB，測量上限160 dB。時(shí)間計(jì)權(quán)分為快(F)、慢(S)、脈沖(I)、峰值(Peak)，儀器精度執(zhí)行GB/T3785—2010/IEC61672:2002國家標(biāo)準(zhǔn)對1級聲級計(jì)的要求。聲級采樣間隔可在0.01～6 s間設(shè)置。為了有效識別人工影響天氣高射炮發(fā)射過程，試驗(yàn)時(shí)采樣間隔設(shè)置為0.01 s。

3 高射炮發(fā)射聲級采集試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 三七高射炮訓(xùn)練模擬彈發(fā)射聲級分析

2014年7月12日在天津市寶坻區(qū)大鐘莊人工影響天氣作業(yè)站開展了三七高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)自動采集試驗(yàn)。作業(yè)裝備為37 mm口徑的65型雙管高射炮；作業(yè)用彈使用了中國人民解放軍第三三零五工廠生產(chǎn)的55式37 mm高射炮訓(xùn)練模擬彈；試驗(yàn)使用WMS-SLM-01型人工影響天氣地面作業(yè)數(shù)據(jù)采集傳輸儀對高射炮發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行聲級采集，試驗(yàn)時(shí)儀器置于高射炮炮身的左側(cè)后方，水平距離炮座約6 m，垂直離地高度約0.4 m。

在作業(yè)站，采集傳輸儀提前啟動對周圍環(huán)境噪音進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)作業(yè)設(shè)計(jì)，整個(gè)試驗(yàn)分為兩部分：第1部分為單發(fā)作業(yè)采集試驗(yàn)。試驗(yàn)中高射炮發(fā)射方位角和仰角均保持不變，先后共發(fā)射2發(fā)訓(xùn)練模擬彈，兩次發(fā)射時(shí)間間歇超過1 s。從12:03:05(北京時(shí)，下同)啟動監(jiān)測，至12:04:15結(jié)束聲級采集；第2部分為連發(fā)作業(yè)采集試驗(yàn)。試驗(yàn)中高射炮發(fā)射仰角保持不變，方位角不變或在較小射角范圍內(nèi)改變(實(shí)際作業(yè)習(xí)慣，同時(shí)也為在云內(nèi)形成影響扇面擴(kuò)大催化劑影響區(qū)域)，單管連續(xù)發(fā)射6發(fā)訓(xùn)練模擬彈，聲級采集時(shí)間為12:09:18—12:11:05。整個(gè)采集試驗(yàn)累計(jì)發(fā)射訓(xùn)練模擬彈8發(fā)。

3.1.1 單發(fā)采集試驗(yàn)結(jié)果

圖1a給出了采集傳輸儀在第1部分單發(fā)作業(yè)采集試驗(yàn)中采集到的全過程環(huán)境噪音聲級變化?？梢妼?yīng)高射炮2次單發(fā)作業(yè)，采集傳輸儀能夠極明顯地監(jiān)測識別出兩次聲級瞬時(shí)突升過程。第1次出現(xiàn)在12:03:45.33(秒后為百分之一秒)，聲級峰值達(dá)132.9 dB；第2次出現(xiàn)在12:03:59.11，峰值為131.9 dB，兩個(gè)峰值均高于130 dB。其余時(shí)段監(jiān)測的環(huán)境噪音強(qiáng)度則一般低于80 dB。

圖1 高射炮訓(xùn)練模擬彈單管2單發(fā)聲級變化(a)與短時(shí)特征(b)Fig.1 Sound level characteristics of 2 training shells from single-barreled discontinuous shooting during the total(a) and partial(b) periods of time

數(shù)據(jù)精細(xì)分析顯示，環(huán)境噪音的升降變化呈漸變過程，0.01 s采樣間隔下連續(xù)兩個(gè)時(shí)次聲級差通常小于10 dB。由圖1b兩次單發(fā)作業(yè)的短時(shí)聲級特征看，對應(yīng)單發(fā)作業(yè)，聲級瞬時(shí)突升明顯，且每次突升過程之前還伴隨出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)噪音，本文稱之為前導(dǎo)噪音。由圖2單發(fā)1前導(dǎo)噪音特征看(單發(fā)2特征相似，圖略)，前導(dǎo)噪音繼12:03:45.12后出現(xiàn)，較穩(wěn)定地持續(xù)到12:03:45.26，持續(xù)時(shí)間約0.14 s，聲級范圍介于80～90 dB，平均約85 dB。之后聲級突升，接近或超過120 dB。

圖2 高射炮訓(xùn)練模擬彈單管單發(fā)1前導(dǎo)噪音特征Fig.2 The leading noise characteristics of the 1st training shell from single-barreled discontinuous shooting

圖3單發(fā)1在12:03:45.26(聲級85.8dB)前導(dǎo)噪音結(jié)束，之后0.01 s內(nèi)突升至117.5 dB，增幅31.7 dB，12:03:45.33達(dá)到峰值132.9 dB。從前導(dǎo)噪音結(jié)束至峰值出現(xiàn)，短時(shí)突升持續(xù)時(shí)間僅0.07 s。單發(fā)2前導(dǎo)噪音出現(xiàn)后，從12:03:59.04的88.0 dB突升至12:03:59.05的126.8 dB，12:03:59.11達(dá)峰值131.9 dB。前導(dǎo)噪音結(jié)束至峰值出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間也為0.07 s。兩次單發(fā)聲級達(dá)到峰值后即下降，相對前期躍升速率，聲級下降的速率較緩慢。

圖3 高射炮訓(xùn)練模擬彈單管單發(fā)1聲級主要特征Fig.3 Sound level partial characteristics of the 1st training shell from single-barreled discontinuous shooting

3.1.2 連發(fā)采集試驗(yàn)結(jié)果

圖4a給出的第2部分連發(fā)作業(yè)采集試驗(yàn)中全過程環(huán)境噪音聲級變化顯示，高射炮連發(fā)作業(yè)時(shí)聲級短時(shí)突升極為顯著，其峰值也達(dá)到130 dB以上。通過圖4b右聲級短時(shí)變化可以明顯地分辨出每發(fā)作業(yè)。此外，高射炮連發(fā)作業(yè)時(shí)同樣監(jiān)測到一次前導(dǎo)噪音。可見，該特征已為高射炮發(fā)射的一個(gè)明顯標(biāo)識。

圖4 高射炮訓(xùn)練模擬彈單管6連發(fā)聲級變化(a)與短時(shí)特征(b)Fig.4 Sound level characteristics of 6 training shells from single-barreled continuous shooting during the total(a) and partial(b) periods of time

高射炮連發(fā)作業(yè)，首先監(jiān)測到前導(dǎo)噪音，并與單發(fā)作業(yè)前導(dǎo)噪音特征相似。伴隨第1發(fā)作業(yè)，聲級迅速躍升，0.01 s內(nèi)從86.6 dB躍升至118.6 dB，增強(qiáng)32.0 dB。12:10:10.74達(dá)到峰值135.9 dB，接近140 dB。緊接著，強(qiáng)度開始遞減，至12:10:11.06減為126.6 dB。第2發(fā)作業(yè)時(shí)聲級再次突升。緊隨其后其余各發(fā)作業(yè)聲級變化特征與之類似。從前導(dǎo)噪音出現(xiàn)到12:10:12.51第6發(fā)作業(yè)聲級達(dá)到峰值，整個(gè)過程累計(jì)持續(xù)時(shí)間僅1.96 s。

總體變化看，各發(fā)作業(yè)的聲級都呈先短時(shí)突升而后逐漸遞減的過程，每發(fā)聲級峰值均介于130～140 dB (表1)，且連發(fā)作業(yè)過程中聲級一直高于120 dB。圖5以第2發(fā)為例(各發(fā)特征相似，其余圖略)可見，從聲級迅速躍升(12:10:11.06)，很短時(shí)達(dá)峰值，然后減弱，直至下一發(fā)再突升(12:10:11.41)，間隔時(shí)間為0.35 s，結(jié)合表2統(tǒng)計(jì)的各發(fā)峰值特征，容易統(tǒng)計(jì)出每發(fā)持續(xù)時(shí)間為0.35～0.36 s，這亦為高射炮連發(fā)的發(fā)射間隔。

表1 高射炮單管連續(xù)發(fā)射的6發(fā)訓(xùn)練模擬彈聲級基本特征Table 1 Sound level characteristics of 6 training shells from single-barreled continuous shooting

另外，表1給出的是相同仰角、方位角僅在極窄范圍內(nèi)變化時(shí)連續(xù)發(fā)射的6發(fā)訓(xùn)練模擬彈聲級特征。簡單地比較各發(fā)峰值表明，第5，6發(fā)的聲級峰值強(qiáng)度較其余幾發(fā)稍弱，且第5發(fā)聲級從突升到峰值所需時(shí)間0.07 s，相較其他幾發(fā)所需時(shí)間(0.03～0.04 s)有些許滯后，這種差異可直觀地用于對作業(yè)用彈質(zhì)量檢驗(yàn)方面的參考。

3.2 JD-07型37 mm防雹增雨炮彈發(fā)射結(jié)果聲級分析

高射炮訓(xùn)練模擬彈雖然可以模擬37 mm 防雹增雨炮彈實(shí)彈射擊，包括聲級感應(yīng)在內(nèi)的聲光感效果同于實(shí)彈射擊，但與實(shí)彈發(fā)射仍存在一定差異。為獲取人工影響天氣實(shí)際作業(yè)數(shù)據(jù)，2014年9月24日在河北省承德市興隆縣小碌洞作業(yè)站點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行三七高射炮JD-07型防雹增雨炮彈實(shí)際發(fā)射聲級采集試驗(yàn)，并根據(jù)研究需要使用4部數(shù)據(jù)采集傳輸儀(編號01～04，見表2)。根據(jù)作業(yè)站實(shí)際環(huán)境條件(如空間大小)，將數(shù)據(jù)采集傳輸儀分別置于高射炮炮口左前、右前和炮身左后、右后，距離高射炮炮座最近為4.68 m，最遠(yuǎn)為7.78 m。本文主要就其中一部數(shù)據(jù)采集傳輸儀(編號02)感應(yīng)的數(shù)據(jù)作詳細(xì)聲級特征分析。

圖5 高射炮訓(xùn)練模擬彈單管連發(fā)第2發(fā)聲級主要特征Fig.5 Sound level partial characteristics of the 2nd training shell from single-barreled continuous shooting

小碌洞實(shí)彈發(fā)射試驗(yàn)中，作業(yè)人員先后進(jìn)行了2次單發(fā)和1次3連發(fā)作業(yè)，合計(jì)發(fā)射07型防雹增雨炮彈8發(fā)。其中，連發(fā)作業(yè)采用雙管發(fā)射方式，即每次2發(fā)防雹增雨炮彈同步發(fā)射，3連發(fā)實(shí)際發(fā)射07型防雹增雨炮彈6發(fā)。因數(shù)據(jù)采集傳輸儀同時(shí)開啟了現(xiàn)場錄音功能，存儲錄音文件和聲級數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率有所降低，部分采樣記錄空缺，由0.01 s降為平均約為0.02 s。

3.2.1 單發(fā)和連發(fā)采集試驗(yàn)結(jié)果

圖6a給出了編號02數(shù)據(jù)采集傳輸儀對高射炮實(shí)彈發(fā)射全過程環(huán)境噪音聲級監(jiān)測變化。與此前訓(xùn)練模擬彈試驗(yàn)結(jié)果相似，作業(yè)站及周邊環(huán)境噪音聲級絕大部分弱于80 dB?，F(xiàn)場采集到了兩段明顯強(qiáng)噪音過程：前一段對應(yīng)于發(fā)射前人為敲擊炮身附近的金屬鐵架(目的是對4部儀器進(jìn)行統(tǒng)時(shí)校對)；后一段強(qiáng)噪音對應(yīng)實(shí)彈發(fā)射過程。由圖6b可見，實(shí)彈發(fā)射聲級短時(shí)突升特征顯著，通過聲級變化識別高射炮單次發(fā)射和連續(xù)發(fā)射十分容易。

圖6 JD-07型37 mm防雹增雨炮彈發(fā)射聲級變化(a)與短時(shí)特征(b)Fig.6 Sound level characteristics of JD-07 type cloud seeding shells yielded from the artillery gun shooting during the total(a) and partial(b) periods of time

伴隨高射炮單發(fā)和連發(fā)實(shí)彈發(fā)射，均監(jiān)測到前導(dǎo)噪音。對于單發(fā)2，監(jiān)測顯示前導(dǎo)噪音持續(xù)約0.11 s，聲級相對穩(wěn)定，平均約83 dB(圖略)。連發(fā)作業(yè)前導(dǎo)噪音持續(xù)時(shí)間約0.13 s，聲級平均約90 dB。前導(dǎo)噪音結(jié)束后，發(fā)射聲級都迅速躍升，快速達(dá)到峰值超過130 dB，然后再逐漸遞減。監(jiān)測顯示，實(shí)彈連發(fā)第2發(fā)的高強(qiáng)度噪音持續(xù)時(shí)間約為0.33 s，這與訓(xùn)練模擬彈發(fā)射間隔相近。另外，連發(fā)作業(yè)時(shí)高強(qiáng)度噪音持續(xù)存在，每發(fā)聲級從峰值減弱到下一發(fā)開始前的強(qiáng)度，降幅僅8.6 dB。

3.2.2 不同儀器聲級采集比較

由表2小碌洞實(shí)彈發(fā)射試驗(yàn)中同時(shí)使用的4部數(shù)據(jù)采集傳輸儀聲級峰值比較看，連發(fā)時(shí)，距離高射炮不同距離和方位，每發(fā)聲級峰值非常接近。簡單地與單發(fā)峰值比較可知：對單部數(shù)據(jù)采集傳輸儀，連發(fā)的每發(fā)聲級峰值均高于單發(fā)峰值，最大偏高8.6 dB，最小僅偏高0.4 dB。綜合4部數(shù)據(jù)采集傳輸儀聲級資料，單發(fā)聲級峰值平均129.2 dB，連發(fā)聲級峰值平均為133.0 dB，連發(fā)聲級強(qiáng)度總體高于單發(fā)。

另外，表2也顯示，根據(jù)作業(yè)站實(shí)際環(huán)境條件布設(shè)的4部數(shù)據(jù)采集傳輸儀，在距離高射炮炮身不同距離和方位下，對單發(fā)射擊和連續(xù)發(fā)射的聲級感應(yīng)差異并不大，即該儀器對高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)的采集與識別受其布設(shè)距離和方位的影響較小。

表2 高射炮雙管連續(xù)發(fā)射時(shí)4部數(shù)據(jù)采集傳輸儀監(jiān)測聲級峰值比較Table 2 Comparison of the sound level peaks collected by the 4 ground-based operation data acquisition and transmission devices during double-barreled continuous shooting

4 環(huán)境人為強(qiáng)噪音聲級分析

2014年9月24日在小碌洞作業(yè)站高射炮實(shí)彈作業(yè)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)中，發(fā)射前，試驗(yàn)人員為校準(zhǔn)對時(shí)4套數(shù)據(jù)采集傳輸儀，敲擊了高射炮炮座附近金屬鐵架(圖7)。與高射炮發(fā)射的強(qiáng)噪音相比，該人為制造的噪音聲級峰值也超過120 dB，聲級先升后降，且上升階段呈逐漸增強(qiáng)的過程(圖8)，短時(shí)增幅較小(0.02 s內(nèi)強(qiáng)度增加10 dB)。這與高射炮發(fā)射產(chǎn)生的前導(dǎo)噪音、與前導(dǎo)噪音相關(guān)聯(lián)的聲級突升特征明顯不同，很容易將之與高射炮發(fā)射相區(qū)分。

圖7 環(huán)境強(qiáng)噪音聲級變化Fig.7 Sound level characteristics of a man-made strong noise

圖8 環(huán)境強(qiáng)噪音聲級主要特征Fig.8 Sound level partial characteristics of a man-made strong noise

5 高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)聲級采集技術(shù)應(yīng)用

基于上述高射炮現(xiàn)場發(fā)射聲級特征分析，訓(xùn)練模擬彈和防雹增雨炮彈實(shí)彈發(fā)射產(chǎn)生的前導(dǎo)噪音、每發(fā)聲級突升及其增幅，可以成為高射炮發(fā)射區(qū)別于自然環(huán)境及人為強(qiáng)噪音的明顯指標(biāo)。從高射炮機(jī)械作用原理看，發(fā)射時(shí)前導(dǎo)噪音實(shí)際來自高射炮膛內(nèi)發(fā)射用彈的底火擊發(fā)過程，而前導(dǎo)噪音之后每發(fā)聲級峰值則對應(yīng)為發(fā)射用彈飛出炮口的瞬時(shí)過程。

已有試驗(yàn)結(jié)果顯示，高射炮單管發(fā)射時(shí)，不論單發(fā)還是連發(fā)，通過環(huán)境噪音聲級變化均可精準(zhǔn)識別出每發(fā)信息。而對于雙管發(fā)射，僅從聲級變化較難對雙管同步擊發(fā)和一次發(fā)射出的2發(fā)用彈加以分辨。根據(jù)要求，為避免高強(qiáng)度作業(yè)引發(fā)高射炮身管安全隱患，實(shí)際人工影響天氣作業(yè)時(shí)通常采用的是單管獨(dú)立發(fā)射模式。這樣，通過監(jiān)測利用作業(yè)站聲級變化能很容易實(shí)現(xiàn)對高射炮實(shí)際發(fā)射時(shí)間、用彈量等關(guān)鍵作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動、準(zhǔn)確地采集和統(tǒng)計(jì)。如果進(jìn)一步集成GPS定位模塊，還可以實(shí)現(xiàn)對包括固定作業(yè)站和移動作業(yè)點(diǎn)具體發(fā)射位置基礎(chǔ)地理信息的自動采集。

針對人工影響天氣地面高射炮發(fā)射另外兩個(gè)重要數(shù)據(jù)——發(fā)射方位角與仰角，單個(gè)地面作業(yè)數(shù)據(jù)采集傳輸儀無法獲得，而若考慮在高射炮周邊按不同距離與方位布設(shè)不少于3套相同的數(shù)據(jù)采集傳輸儀，利用建立的聲級感應(yīng)陣列，基于到達(dá)時(shí)差法聲源定位原理[20-21]，假定聲源位置和感應(yīng)器在同一水平面，通過簡單的幾何計(jì)算能夠準(zhǔn)確地定位出每發(fā)聲源位置，再結(jié)合高射炮基座位置、身管長度和方向基準(zhǔn)，進(jìn)而就可以精準(zhǔn)地計(jì)算出發(fā)射仰角、方位角。鑒于高射炮身管僅兩米多長，該計(jì)算對到達(dá)時(shí)差距離精度有較高要求，這直接反映到對作業(yè)數(shù)據(jù)采集傳輸儀自身采樣時(shí)間分辨率的高要求上。

另外，高射炮發(fā)射時(shí)實(shí)時(shí)采集到的前導(dǎo)噪音，作為彈藥底火擊發(fā)的顯著標(biāo)識，亦可作為人工影響天氣地面高射炮安全作業(yè)的重要監(jiān)控內(nèi)容。如實(shí)際作業(yè)中遇到作業(yè)用彈膛內(nèi)已被擊發(fā)但并未發(fā)射出去的危險(xiǎn)性預(yù)警，這對有效預(yù)防重大安全事故及其應(yīng)急處置能夠起到重要輔助作用。此外，高射炮在特定方位角和仰角范圍內(nèi)連續(xù)發(fā)射時(shí)各發(fā)用彈聲級峰值簡單比對，亦可以作為檢測作業(yè)用彈質(zhì)量差異的參考。

6 結(jié) 論

針對人工影響天氣高射炮和火箭發(fā)射現(xiàn)場產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖噪聲，基于聲級感應(yīng)技術(shù)，利用地面作業(yè)數(shù)據(jù)采集傳輸儀，對我國人工影響天氣作業(yè)中廣泛使用37 mm口徑65型雙管高射炮訓(xùn)練模擬彈和JD-07型防雹增雨炮彈現(xiàn)場發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行采集試驗(yàn)，分析表明：

1) 高射炮訓(xùn)練模擬彈和防雹增雨炮彈實(shí)彈發(fā)射產(chǎn)生的前導(dǎo)噪音與每發(fā)聲級短時(shí)突升，能夠成為高射炮發(fā)射區(qū)別于作業(yè)站內(nèi)自然環(huán)境及人為制造噪音的一個(gè)顯著標(biāo)識。前導(dǎo)噪音作為高射炮彈藥被擊發(fā)的顯著標(biāo)識，亦可作為高射炮安全監(jiān)控重要內(nèi)容，對有效預(yù)防重大安全事故及其應(yīng)急處置能夠起到重要輔助作用。

2) 從作業(yè)站內(nèi)環(huán)境噪音聲級變化上能夠精準(zhǔn)地分辨出高射炮單管或雙管、單次(兩次發(fā)射時(shí)間間隔不短于1 s)或連續(xù)發(fā)射的每發(fā)信息，包括實(shí)際發(fā)射時(shí)間、用彈數(shù)量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)而容易實(shí)現(xiàn)自動、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地采集與分析。高射炮雙管同步發(fā)射僅從聲級本身變化上難以識別出2發(fā)用彈，但同步發(fā)射的聲級峰值要高于單發(fā)峰值。

3) 在人工影響天氣作業(yè)站內(nèi)，距離高射炮炮身不同距離和方位下對單發(fā)射擊和連續(xù)發(fā)射的聲級感應(yīng)差異并不大。利用聲級特征采集與識別高射炮作業(yè)數(shù)據(jù)，受感應(yīng)儀器的布設(shè)距離和方位的影響較小。高射炮發(fā)射每發(fā)用彈聲級峰值簡單對比，可作為直觀檢驗(yàn)用彈質(zhì)量的參考。

4) 高射炮每發(fā)用彈發(fā)射的方位角和仰角可以利用聲級感應(yīng)陣列和基于到達(dá)時(shí)差法聲源定位原理實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)算。進(jìn)一步集成GPS定位模塊，還可實(shí)現(xiàn)對包括固定作業(yè)站和移動作業(yè)點(diǎn)具體發(fā)射位置地理信息的自動采集。

致 謝：感謝對試驗(yàn)提供諸多幫助的天津市人工影響天氣辦公室、天津市寶坻區(qū)氣象局、河北省人工影響天氣辦公室、河北省承德縣氣象局的領(lǐng)導(dǎo)和同仁！

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Data Auto-collection Based on Sound Level Characteristics for Weather Modification Operation by Ground-based Artillery Gun Shooting

Li Hongyu1)Wang Hua2)Jia Lijia3)Hu Xiangfeng4)Tao Yue1)Wang Xiaobin1)

1)(WeatherModificationCenter,ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081)2)(BeijingMeteorologicalObservatory,Beijing100089)3)(BaodiDistrictMeteorologicalBureauofTianjin，Tianjin301800)4)(WeatherModificationOfficeofHebeiProvince,Shijiazhuang050021)

As an important task of weather service system, improving information technology on weather modification aircraft and ground operations and accurately collecting basic data from all kinds of operating equipment is an important element for operation management and decision making, as well as the basis for the scientific assessment of operating results. Currently, ground information management of weather modification operation generally follows earlier national rules of information collection and reporting. On one side, the collected information includes operating equipment, operating time, dosage and other basic information. A simple assessment is needed to evaluate the operation by combining comprehensive meteorological observations, making it difficult to ensure the timeliness of information reporting. On the other side, the operating information collected at ground enters the system typically by oral reports and hand typing, which limits the accuracy of the reported information. Thus it is difficult for the managing departments to know in-situ operating conditions, which directly limits operations of other services including security management. Improved data collecting methods are needed to overcome the bottleneck that data collection during weather modification operation relies on hand typing and the associated data security issues, and to improve the timeliness and accuracy of data collection. Based on mature technology, it is an effective way to collect operational data automatically through rebuilding operating instruments, and using in-situ operating sound, light or vibration features to trigger automatic responses of ground data operations. The way of using in-situ sound characteristics to trigger automatic responses to identify operating data from common-used artillery guns and rocket launchers also has a low cost and no security risk. In order to overcome the bottleneck, a new ground-level data acquisition and transmission device based on the acoustic technology are developed. Two experiments are carried out to collect sound level data of training shells and JD-07 type cloud seeding shells, respectively, which are shot from a 37 mm diameter, 65-type double-barreled artillery gun. This kind of artillery guns is widely used in weather modification throughout China. Results indicate that leading noise, sound level sharp jump and peak value yielded from the artillery gun shooting can act as a very effective index of data automatic collection during weather modification operation by artillery guns. Remarkable changes in the sound level of environmental noises inside the weather modification station can distinguish effectively the information on single or double-barreled and discontinuous or continuous gun shooting. Based on this, the shooting time and the shotted shells can be recorded automatically, accurately and in real time. The distance and position of the data acquisition and transmission device away from the artillery gun in the weather modification station have little effect on the accuracy of gun shooting data collection from sound level characteristics. As a significant mark of shell firing from the artillery gun, the leading noise recognition can be an important part of safe operation monitoring, playing an early warning role for major security incidents and their emergency treatment. Comparison of the sound level peak of each shell also helps to provide a visual reference for shell quality inspection. In addition, values of azimuth and elevation angles for each shell shooting can be calculated precisely based on the principle of time difference of arrival by arranging a sound sensing array. The accurate shooting position information can be collected automatically by integrating a GPS module.

weather modification； artillery gun； ground-based cloud seeding； sound level； auto-collecting

10.11898/1001-7313.20150508

中國氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項(xiàng)目(CMAGJ2014M75)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41475028)，中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(IUMKY201313PP0403)

李宏宇，王華，賈麗佳，等.利用聲學(xué)方法采集人工影響天氣高射炮作業(yè)數(shù)據(jù). 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(5)：590-599.

2015-02-03收到， 2015-05-15收到再改稿。

*通信作者， email: wxb@cams.cma.gov.cn