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

劉德耀,陳志菲,郭心偉,宋衛(wèi)華,鮑 明

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

為了改變廣域靶場(chǎng)內(nèi)火炮系統(tǒng)彈道點(diǎn)測(cè)試依靠人工報(bào)靶的現(xiàn)狀,建立了基于多聲學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)的彈丸落點(diǎn)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)脫靶量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)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(jì)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(yàn)和靜爆試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明:測(cè)試區(qū)域邊長(zhǎng)在300 m量級(jí)時(shí)定位誤差小于1 m,測(cè)試區(qū)域邊長(zhǎng)在3 km量級(jí)時(shí)定位偏差在6 m以內(nèi),因此該系統(tǒng)可用于彈著點(diǎn)實(shí)際定位測(cè)量,對(duì)實(shí)踐應(yīng)用具有重要意義。

彈丸;落點(diǎn);傳感器網(wǎng)絡(luò);聲學(xué)測(cè)量

火炮射擊準(zhǔn)確度是評(píng)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(shí)時(shí)準(zhǔn)確報(bào)靶彈著點(diǎn)坐標(biāo)是火炮靶場(chǎng)的重要測(cè)量任務(wù)之一。

目前,靶場(chǎng)中火炮彈著點(diǎn)測(cè)量多采用人工報(bào)靶,由于其時(shí)效低,準(zhǔn)確度難以保證,已無法滿足當(dāng)前火炮系統(tǒng)測(cè)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(dòng)探測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),國(guó)內(nèi)外基于聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的火炮彈著點(diǎn)定位系統(tǒng)逐步獲得應(yīng)用[1-2]?，F(xiàn)有的彈著點(diǎn)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(gè)陣列節(jié)點(diǎn)對(duì)爆炸聲波進(jìn)行定向,然而在廣域復(fù)雜地形條件下,每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的時(shí)延差進(jìn)行定位,其對(duì)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(shí)綜合考慮氣象和地形因素對(duì)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(diǎn)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(diǎn)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)彈著點(diǎn)的實(shí)時(shí)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(diǎn)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示,根據(jù)靶場(chǎng)地形分布可將其劃分為若干區(qū)域,在每個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制管理、資源調(diào)度、信息交換與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域地形特點(diǎn)布置聲陣列和單傳感器節(jié)點(diǎn),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(diǎn),通過匯集各節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理結(jié)果及原始聲信號(hào)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(diǎn)的檢測(cè)和定位。各個(gè)區(qū)域的集合覆蓋了整個(gè)彈丸落點(diǎn)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(hào)數(shù)據(jù)的上行。

系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)立氣象測(cè)量節(jié)點(diǎn),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(diǎn)完成彈丸落點(diǎn)信號(hào)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(gè)傳聲器陣列由24個(gè)傳聲器和一套信號(hào)采集處理主機(jī)組成,用于估計(jì)彈丸落點(diǎn)的空間譜;區(qū)域內(nèi)布設(shè)若干個(gè)單傳聲器節(jié)點(diǎn),用于檢測(cè)爆炸沖擊波信號(hào)并定位[7-10]。

系統(tǒng)布設(shè)完成后,需要標(biāo)定各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),彈丸落地前后各節(jié)點(diǎn)會(huì)采集到爆炸波和可能的彈道激波信號(hào),基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法檢測(cè)識(shí)別出爆炸波信號(hào),而后基于陣列定向和TDOA方法進(jìn)行彈著點(diǎn)定位。因此,整個(gè)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(cè)技術(shù)、波達(dá)方向估計(jì)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(cè)區(qū)域作為一個(gè)能量場(chǎng),彈丸落地爆炸后,陣列接收到的數(shù)據(jù)在落點(diǎn)方向的能量最強(qiáng),各陣列交叉出一個(gè)能量最強(qiáng)的區(qū)域即為炮彈落點(diǎn)。因此,可以將靶區(qū)范圍劃分為多個(gè)網(wǎng)格區(qū)域,利用DOA算法計(jì)算每個(gè)區(qū)域下的空間能量譜,將每個(gè)陣列計(jì)算出的能量譜疊加,譜峰對(duì)應(yīng)區(qū)塊即為彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)。

如圖3所示,假設(shè)有3臺(tái)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(duì)于各陣列節(jié)點(diǎn)的能量譜分別記為P1,P2,P3。

對(duì)于P1,每個(gè)網(wǎng)格與Z1陣列的夾角各不相同,設(shè)第i個(gè)網(wǎng)格對(duì)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(duì)于參考陣元的時(shí)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(hào)為

xmi(t)=s(t-τmi)+nm(t)

(1)

式中:s(t)為爆炸聲信號(hào),n(t)為背景噪聲。彈丸落地爆炸聲為瞬態(tài)信號(hào),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(gè)頻段,將式(1)的信號(hào)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(gè)網(wǎng)格入射到陣列的信號(hào)源的導(dǎo)向矢量;wj為第j個(gè)頻點(diǎn)。

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

(3)

式中:Un(wj)為wj頻點(diǎn)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(jì)算出的能量譜疊加得到P=P1+P2+P3,疊加后能量譜峰值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格坐標(biāo)即為彈著點(diǎn)坐標(biāo)。

在圖3所示陣列與炸點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系下,3個(gè)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(shí)落點(diǎn)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(duì)應(yīng)的坐標(biāo)(600,800)即為定位結(jié)果。

2.2 單傳聲器節(jié)點(diǎn)定位算法模型

單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的彈丸落點(diǎn)定位采用時(shí)延差(TDOA)定位算法。如圖2所示,假定有M個(gè)單節(jié)點(diǎn)分布在二維平面,第p個(gè)傳感器接收到的信號(hào)為

up(k)=s(k-τp)+ηp(k)

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

第p個(gè)傳感器和第1個(gè)傳感器接收到信號(hào)的TDOA表達(dá)式為τp,1=τp-τ1,p=2,3,…,M,則第p個(gè)和第q個(gè)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(shí)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(gè)傳感器的坐標(biāo),則目標(biāo)與第p個(gè)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(diǎn)區(qū)域較大時(shí),溫度和風(fēng)場(chǎng)對(duì)彈丸落點(diǎn)測(cè)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(diǎn),因此根據(jù)近地氣溫變化實(shí)時(shí)修正算法中的聲速,可以實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償。

②風(fēng)速影響。風(fēng)對(duì)聲信號(hào)傳播產(chǎn)生的影響主要有兩個(gè)方面,一方面是風(fēng)速對(duì)實(shí)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(cè)試場(chǎng)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(diǎn)與彈丸落點(diǎn)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(shí),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(shí)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(diǎn)與聲節(jié)點(diǎn)間的連線上,以修正不同節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)延,改善TDOA方法的定位性能。

假定6個(gè)單節(jié)點(diǎn)均勻分布在半徑為100 m的圓周上,彈丸落點(diǎn)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(shí),定位偏差δ隨風(fēng)速增加而逐漸增大。

彈著點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際地形條件合理布設(shè)節(jié)點(diǎn),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(diǎn),通過陣列定向交匯方法確定單炮和群炮的彈丸落點(diǎn);在丘陵和山地區(qū)域,通過引入地形因素對(duì)聲線路徑的影響,修正TDOA估計(jì)量,可以采用Chan方法進(jìn)行彈丸落點(diǎn)定位。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模擬試驗(yàn)

以平原區(qū)域?yàn)槔?圖6為靶場(chǎng)中4個(gè)傳聲器陣列和炸點(diǎn)的位置圖,圓圈是陣列,星形是炸點(diǎn),共有3個(gè)炸點(diǎn)依次引爆。試驗(yàn)采用禮花模擬彈丸落點(diǎn)產(chǎn)生的沖擊聲信號(hào)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(diǎn)坐標(biāo)均采用全站儀進(jìn)行測(cè)量,見表1。

表1 陣列和炸點(diǎn)坐標(biāo)

對(duì)于B1爆炸源,各陣列通道6的沖擊聲信號(hào)波形如圖7。從圖中可以看出,4個(gè)陣列接收信號(hào)均未發(fā)生失真,可以有效提取其時(shí)延信息,其他爆炸波信號(hào)與此類似。

基于陣列定向交匯方法估計(jì)上述3個(gè)炸點(diǎn)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(yàn)

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(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)中,預(yù)先選擇合適的彈丸落點(diǎn)位置,并利用差分GPS測(cè)量該點(diǎn)的坐標(biāo);引爆炸藥后,系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并利用TDOA方法進(jìn)行定位,比較測(cè)量坐標(biāo)和報(bào)靶結(jié)果以評(píng)估定位精度。

表2 靜爆試驗(yàn)落點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了包含多傳聲器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)聲學(xué)測(cè)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(shí)綜合考慮氣象和地形因素的影響,改善TDOA方法的時(shí)延差估計(jì)精度,從而實(shí)現(xiàn)彈著點(diǎn)的快速準(zhǔn)確定位。

本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚未充分考慮到實(shí)際場(chǎng)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(duì)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。

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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(jí)工程師,碩士,研究方向?yàn)榕炁谠囼?yàn)技術(shù)。E-mail:zhongqingdeyao@163.com。

TJ303.4

A

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