一種聲學(xué)炸點測量系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

張亞輝，李　銳，李宏凱，朱望飛，張　亮

（中國華陰兵器試驗中心，陜西　華陰　714200）

一種聲學(xué)炸點測量系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

張亞輝，李銳，李宏凱，朱望飛，張亮

（中國華陰兵器試驗中心，陜西華陰714200）

針對常規(guī)兵器試驗測試領(lǐng)域全天時地面炸點測試問題，設(shè)計并開發(fā)了一種由對講機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建的聲學(xué)炸點測試系統(tǒng)；系統(tǒng)采用遙控裝置解決測量分站對講機(jī)的發(fā)射控制問題，中心站以多對講機(jī)作為信號接收裝置，采用同步數(shù)據(jù)采集卡實時采集回傳的聲信號；提出并實現(xiàn)了一種基于爆炸能量邊沿識別的時延估計技術(shù)，用于后期數(shù)據(jù)處理和炸點坐標(biāo)計算；試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)兵器試驗爆炸點的聲學(xué)定位，系統(tǒng)開發(fā)周期短、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，具有一定實用性和推廣價值。

時延；聲定位；爆炸點

0　引言

聲測定位技術(shù)是利用聲學(xué)與電子裝置接收聲信號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。聲學(xué)炸點測量系統(tǒng)基于被動聲測技術(shù)，捕捉彈丸爆炸時產(chǎn)生的聲信號，采用時延估計方法由幾何關(guān)系確定炸點的空間坐標(biāo)。

兵器試驗彈丸落彈范圍常常是一個數(shù)百米寬近千米甚至超過千米長的矩形區(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量分站的方法進(jìn)行定位。測量分站一般包括控制器、采集器、傳聲器、時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，時間同步模塊一般選擇GPS或BD；中心站包括通信設(shè)備和計算機(jī)。這種模式的系統(tǒng)設(shè)計方案可以有效完成地面炸點坐標(biāo)的測試，然而測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。本文設(shè)計并開發(fā)了一種基于市場成熟產(chǎn)品改裝的炸點測試的系統(tǒng)，提出了基于爆炸能力邊沿識別的時延估計方法，已成功用于兵器試驗炸點坐標(biāo)測試。

1　測試原理及主要參數(shù)設(shè)計

1.1測試原理

由式（1）可知，求解炮彈爆炸點坐標(biāo) （x，y）的關(guān)鍵在于確定（t1-t0）、（t2-t0）、（t3-t0），即爆炸點聲信號傳播至聲傳感器的時延?？紤]到溫度、風(fēng)速對聲波傳播速度的影響，需對風(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)測試誤差主要來源有以下3個方面：

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

2）時延估計精度，即提取爆炸聲波到達(dá)時刻的精度。以每路采集頻率10 k Hz計算，測時精度0.1 ms，信號處理幀間偏差10，那么時延估計精度為1 ms。

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

根據(jù)上述3條設(shè)置測試誤差仿真參數(shù)。其中，測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，圖中“△”代表測量分站，“○”代表落點坐標(biāo)，經(jīng)過160次仿真得到測試不確定度標(biāo)準(zhǔn)差δx≤2 m，δy≤2 m。

圖1　設(shè)備布站及測試精度

1.3系統(tǒng)主要硬件指標(biāo)設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計如下：1）測量分站4～8個；2）落彈區(qū)散布一般在1 500 m×800 m范圍內(nèi)，測量分站在落彈區(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）為采集聲波信號處理得到爆炸聲波傳播時延，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，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)計采集頻率大于等于4 k Hz；6）為保證系統(tǒng)總體時延估計精度盡可能優(yōu)于1 ms，分布式采集系統(tǒng)硬件、無線通信等產(chǎn)生的時延應(yīng)小于0.2 ms。

2　聲系統(tǒng)硬件設(shè)計及同步性能分析

2.1系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計

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

系統(tǒng)采用對講機(jī)搭建無線傳輸通道，對傳感器采集的聲信號進(jìn)行放大、回傳和接收，使用數(shù)據(jù)采集卡從接收對講機(jī)中讀取聲波數(shù)據(jù)用于炸點坐標(biāo)計算。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)

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

因此，同步性能實驗主要考察除無線電傳播速度之外其他因素引起的時間延遲差。實驗方法：將3個測量分站傳聲器放在同一個位置，中心站放在通信范圍之內(nèi)，在測量分站附近發(fā)出聲信號，計算各分站聲信號到達(dá)中心站微機(jī)的時間差。實驗中，采用該數(shù)據(jù)采集卡最高采集頻率 （每通道250 k Hz，即每個采集點對應(yīng)4μs）。圖3是采集到的脈沖聲波時域圖。

圖3　脈沖聲波時域圖

實驗重復(fù)10次，經(jīng)分析計算，聲波信號到達(dá)時間差最大值24μs，平均值16μs。加上無線電傳輸延遲，系統(tǒng)總的同步偏差遠(yuǎn)小于0.2 ms，滿足設(shè)計要求。

3　數(shù)據(jù)處理中心軟件設(shè)計

3.1軟件功能及流程設(shè)計

數(shù)據(jù)處理終端為一臺便攜式計算機(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)管理功能主要實現(xiàn)前方測量分站的錄音和數(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)存儲等；數(shù)據(jù)處理功能主要實現(xiàn)爆炸聲信號處理、爆炸點坐標(biāo)計算、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信號處理處理算法設(shè)計

1）帶通濾波。在進(jìn)行信號辨識和時延估計之前，需要對采集到的原始波形信號進(jìn)行預(yù)處理。這是因為一般情況下，爆炸聲波的能量集中在一個特定的頻段內(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?？紤]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）特征點前向檢索。已知采樣頻率Fm，根據(jù)已有經(jīng)驗可預(yù)知爆炸聲波的時間持續(xù)期T，則爆炸能量主要存在于接收到爆炸聲后的T時間長度內(nèi)。采用長度為L、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；Y（i）為前向累積后的能量值。

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

3）時延計算。以各通道處理后信號峰值的1/3～2/3為閾值處理信號，第一個達(dá)到該閾值的信號出現(xiàn)時刻作為該通道，對應(yīng)測量分站，爆炸波的到達(dá)時刻。注意，該時刻是一個相對時刻，經(jīng)過各通道波達(dá)時刻相減可得到爆炸聲波到達(dá)各測量分站的時間差。另外，在獲取波達(dá)時刻時沒有取信號峰值作，而是取峰值1/3～2/3為閾值是經(jīng)驗總結(jié)結(jié)果，試驗證明這樣做的精度優(yōu)于取峰值。

4　試驗結(jié)果及討論

為了驗證本文設(shè)計及研制系統(tǒng)的性能，采用炮竹爆炸實驗、某型炮彈炮口和彈丸爆炸點坐標(biāo)測試試驗驗證。試驗時采用本文設(shè)計研制的系統(tǒng)，軟件處理過程中采用人工處理與本文信號處理方法對比形式，信號處理軟件由Matlab語言編寫，在主頻為2.4 GHz、內(nèi)存為3 GB的計算機(jī)上進(jìn)行計算。

4.1炮竹模擬實驗

炮竹模擬實驗結(jié)果如表1所示。在數(shù)據(jù)處理中，信號處理采用人工判別爆炸時間點與本文算法相比對的方式，考察系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)以及本文算法的有效性。

表1　炮竹模擬實驗結(jié)果

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

4.2炮口定位

在某火炮炮位測試定位試驗中，測試結(jié)果與炮位理論值（也是實際值）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，距離向測試結(jié)果優(yōu)于方位向，這與測量分站的布設(shè)位置有關(guān)。測試時，3個測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度。此外，測試結(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實彈試驗

通過某型加榴彈射擊試驗對本文設(shè)計的炸點測量系統(tǒng)進(jìn)行驗證。本次試驗應(yīng)用8個測量分站，氣象條件：無風(fēng)，溫度18.5℃；測量分站布站點對落彈區(qū)呈包圍結(jié)構(gòu)，坐標(biāo)計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)過能量前向累計處理的結(jié)果如圖（c）。通過本文介紹的信號處理算法，干擾的幅值被抑制，目標(biāo)幅值凸顯。

表2為試驗中一組彈丸炸點定位結(jié)果，以大地測量設(shè)備測得的炸點坐標(biāo)為真值進(jìn)行比對。

圖6　彈丸炸點聲信號處理

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

5　結(jié)論

本文設(shè)計實現(xiàn)了一套實用的炸點測量系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件部分基于市場成熟產(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)，通過嵌入帶通濾波、能量前向累積、時延計算等數(shù)據(jù)處理模塊獲得爆炸聲波到達(dá)時間差數(shù)據(jù)，求解出炸點坐標(biāo)。炮竹模擬實驗和實彈射擊試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)爆炸點的聲學(xué)定位。系統(tǒng)開發(fā)周期短、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，具有一定實用性和推廣價值。

表2　某型加榴彈炸點測量結(jié)果對比

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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。

總裝備部重點預(yù)研項目（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彈道測試技術(shù)方向的研究。