空炸點聲學(xué)測量系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究

李大偉，劉云海，萬博，周磊，王婷

（中國白城兵器試驗中心吉林白城137001）

各類遠(yuǎn)程壓制、防空反導(dǎo)、精確制導(dǎo)等武器彈藥試驗鑒定中，空炸點或開艙點測量是檢驗武器彈藥性能的一項重要特征參數(shù)，傳統(tǒng)試驗中主要應(yīng)用光學(xué)[1-2]設(shè)備進(jìn)行直接測量，但在一些彈道偏差大、目標(biāo)特性弱、落彈區(qū)地形復(fù)雜等情況下，傳統(tǒng)測試設(shè)備存在著一定局限性。

鑒于彈藥戰(zhàn)斗部空炸或開艙時會產(chǎn)生特有的聲信號，這為利用聲探測技術(shù)進(jìn)行參數(shù)測量提供了可能。迄今為止，美國、俄羅斯、英國、以色列和日本等國均裝備有成熟的被動聲探測系統(tǒng)，如以色列菲爾公司的AEWS聲探測預(yù)警系統(tǒng)、瑞典的Helisearch直升機(jī)聲測系統(tǒng)[3]。在國內(nèi)外，聲探測技術(shù)廣泛應(yīng)用于直升機(jī)探測、智能雷彈，近年來應(yīng)用于單兵聲測系統(tǒng)[4]及反狙擊手系統(tǒng)[5-7]等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

常規(guī)靶場中，聲測作為一種新興測試技術(shù)，具有獨(dú)特優(yōu)勢。首先，戰(zhàn)斗部空炸或開艙時會產(chǎn)生一種特有的聲波，無需在彈藥上加裝光、電等合作裝置，借助這種特有聲波可進(jìn)行聲測設(shè)備的觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄，便于系統(tǒng)無人值守、抵近測量。其次，聲學(xué)傳感器體積小、重量輕、造價低、技術(shù)相對成熟，便于構(gòu)建聲學(xué)陣列實現(xiàn)矢量測量。另外，聲測設(shè)備運(yùn)輸便捷、布站簡易、場地適應(yīng)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理快速，具備準(zhǔn)實時結(jié)果顯示能力，便于現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析和方案適時調(diào)整，提高試驗效率。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)及結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)總體上由3個分站（即檢靶儀）和一個中心站（即數(shù)傳儀）組成，如圖1所示。

圖1 空炸點聲學(xué)測量系統(tǒng)總體架構(gòu)

其中，檢靶儀的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。檢靶儀作為聲信號采集處理終端，完成聲信號的采集、濾波，并通過無線通信將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)傳儀，數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)傳儀調(diào)制解調(diào)傳輸至上位機(jī)（電腦）進(jìn)行后期處理。上位機(jī)根據(jù)解調(diào)的數(shù)據(jù)格式，按照程序設(shè)定完成聲信號的數(shù)據(jù)處理、時差計算，最終實現(xiàn)單一分站定向，多站實現(xiàn)聯(lián)合定位。

圖2 檢靶儀結(jié)構(gòu)組成

1.2 系統(tǒng)處理流程設(shè)計

聲信號被采集后，經(jīng)分站轉(zhuǎn)存，通過無線通信發(fā)送給中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計算。空炸點聲學(xué)測量系統(tǒng)的整個處理工作流程分為3部分：分站FPGA信號采集流程、分站單片機(jī)控制及無線通信流程、中心站數(shù)據(jù)接收處理流程，分別如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 分站FPGA信號采集流程

圖4 分站單片機(jī)控制及無線通信流程

圖5 中心站數(shù)據(jù)接收處理流程

2 聲學(xué)傳感器性能分析

聲學(xué)傳感器作為聲探測系統(tǒng)的“耳朵”，是整個測量系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的器件之一，其技術(shù)指標(biāo)和性能優(yōu)劣直接影響著聲信號的采集質(zhì)量，因此傳感器的選取十分重要，既要求其技術(shù)指標(biāo)滿足測試需要，又要求一致性要好、可靠性高。同時，考慮靶場所處位置在草原環(huán)境中，季節(jié)性噪聲明顯，直接影響傳感器誤觸發(fā)率，故結(jié)合市面常見的3類傳感器進(jìn)行了噪聲特性分析。

傳感器的噪聲主要有兩個來源，即本身的固有噪聲和外界引起的噪聲。固有噪聲主要是由膜片的熱擾動或有源電路部分電噪聲引起的，其大小用等效噪聲級表示[8]。傳感器的等效噪聲級表示為：

式中，Ln為傳感器的A計權(quán)等效噪聲級，單位為分貝（dBA）；Un為A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)傳感器的固有噪聲電壓；M為傳感器靈敏度；Pr為參考壓強(qiáng)，一般取Pr=2×10-5Pa。

參照3種傳感器的技術(shù)指標(biāo)，見表1。本底噪聲值最大的為CHZ-213自由場型傳感器，其本底噪聲Ln為16 dBA，傳感器靈敏度M為50 mV/Pa，計算得到噪底電壓為Un=6.309 57×10-6V。

表1 3種傳感器技術(shù)指標(biāo)

按照聲壓級計算公式，見式（2），可計算得到當(dāng)外部聲壓達(dá)到50 dB時，CHZ-213自由場型傳感器測得的理論聲壓為p=1.58×10-3Pa，其中參考聲壓p0=20 μ Pa。

此時，傳感器的輸出電壓為：U=M×p=0.05×1.58×10-3=7.9×10-5V，已超過其固有噪底電壓Un，可正常觸發(fā)傳感器。通常情況下，草原背景環(huán)境噪聲在30～40 dB，受季節(jié)因素（如季風(fēng)、蟲鳴）影響顯現(xiàn)規(guī)律性。

現(xiàn)有某型子母彈戰(zhàn)斗部開艙時爆炸能量相當(dāng)于1.5 kgTNT當(dāng)量，將爆炸過程分沖擊波和聲波兩階段累加計算，近似得到聲波傳播10 km后，到達(dá)傳感器的聲壓Lp約為115 dB，遠(yuǎn)高于草原背景噪聲；且聲波頻率特性位于人耳識別區(qū)間，聲信號可被檢測采集，故上述3種傳感器均滿足指標(biāo)要求，可綜合考慮器件成本、采購周期、后期維護(hù)、一致性篩選等因素合理優(yōu)選。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

理論上，利用上述聲學(xué)傳感器通過一定的陣列設(shè)計，構(gòu)成特定數(shù)學(xué)求解模型，將采集的聲信號經(jīng)過信號處理后，根據(jù)提取的時差帶入求解模型解算，就可實現(xiàn)單站定向，三站聯(lián)合定位。雖然被動聲定位技術(shù)在原理上看似簡單，但在工程實際應(yīng)用中受到諸多因素的影響和制約。

在聲學(xué)測量系統(tǒng)中，如何提高測量精度是研究的重點和難點，而影響測量精度的主要因素包括傳感器陣型、信號處理方法、時延估計算法等。

3.1 傳感器陣型優(yōu)化

傳感器陣型主要分為兩大類，一是以單基陣為研究對象，研究如何改變一定數(shù)量傳感器間的幾何排布來提高定向性能；另一類是以復(fù)合陣為研究對象，每個復(fù)合陣由若干單基陣構(gòu)成，通過研究復(fù)合陣的不同陣型排列，提高整體的定位精度。

典型幾種單基陣陣型包括[9-11]：直線陣、圓陣、四方陣、平面五元十字陣等，如圖6所示。

圖6 幾種典型單基陣陣型

通過陣型特性分析，直線陣無法完成空中目標(biāo)的三維定位，至多只能確定其中的二維參量。圓陣具有良好的測距性能，但其測距、側(cè)向的方差僅與時延估計、聲速以及基陣的陣徑有關(guān)，而與目標(biāo)方位無關(guān)，抑制了時延估計方差對測距和側(cè)向精度的影響。四方陣由于陣型限制，不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離定位，陣列冗余度較小。平面五元十字陣是五元陣的經(jīng)典陣型，在方位角估計方面，克服了四方陣測向時受目標(biāo)方位角影響的缺點，但俯仰角估計存在誤差較大的問題。

為了提高俯仰角測量精度，本文在保留平面五元十字陣測量方位角優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，增加了Z軸方向的測試分量，有效提升了對空中目標(biāo)的定向能力。立體五元十字陣陣型如圖7所示。

圖7 立體五元十字陣陣型

立體五元十字陣可滿足對空中目標(biāo)方位和俯仰的有效測量，構(gòu)建此單基陣的基礎(chǔ)上，可借鑒光學(xué)空間幾何交匯方法[12]實現(xiàn)三基陣的聯(lián)合定位，文中不再贅述。

3.2 信號處理方法

鑒于靶場試驗環(huán)境復(fù)雜，傳感器采集的信號中可能摻雜多種非目標(biāo)信號，例如：風(fēng)聲、蟲鳴聲、油機(jī)的轟鳴聲等，這些噪聲在一定程度上直接影響目標(biāo)聲源的定位精度。保證定位精度就需要剔除這些與爆炸波不一致的內(nèi)嵌噪聲，首要完成的就是數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

通常數(shù)據(jù)預(yù)處理是一種為優(yōu)化系統(tǒng)性能而采取的措施，本系統(tǒng)采用了一種新穎的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法—全相位數(shù)據(jù)預(yù)處理方法[13]。該方法將輸入數(shù)據(jù)長度為(2N-1)的數(shù)據(jù)向量x=[x(n+N-1),…,x(n),…,x(n-N+1)]T轉(zhuǎn)化為長度為N的數(shù)據(jù)向量x1=[x1(0),x1(1),…,x1(N-1)]T。其中，向量x1可以看成用卷積窗對向量x進(jìn)行數(shù)據(jù)加權(quán)后，將左邊各數(shù)據(jù)向右平移N個延時單元，再與位置重疊的另一個數(shù)據(jù)相加而得到。

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法相比，采用全相位數(shù)據(jù)預(yù)處理摒除了以某些特定任務(wù)或目標(biāo)為需求的情景設(shè)定，數(shù)據(jù)經(jīng)過全相位預(yù)處理后，保留了豐富的相位信息，使得此后再進(jìn)行傳統(tǒng)頻譜分析、濾波等操作就變成了全相位頻譜分析、全相位濾波，系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。

數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，若想取得良好的濾波效果，還需明確干擾源的特性，包括頻率、幅值等信息，這里需要考慮兩種情況。第一種情況：若干擾源的頻段與目標(biāo)信號的頻率互不疊加且相差較大，可設(shè)計一個帶阻數(shù)字濾波器，截止干擾源頻段的兩個邊界點。第二種情況：若干擾源頻段與目標(biāo)信號的頻率有疊加，這樣利用頻域差異不能將目標(biāo)聲信號提取出來，只能從幅值及動態(tài)特性入手。

經(jīng)實測分析，彈丸爆炸所產(chǎn)生的聲信號是突發(fā)的、短暫的；而通常干擾源產(chǎn)生的信號在一定時間內(nèi)是呈現(xiàn)周期性的，頻率和幅值變化不大。因此，可以設(shè)計一個遞推平均濾波器進(jìn)行處理。需要注意的是，濾波處理必然對系統(tǒng)時間戳產(chǎn)生一定位移，可以利用補(bǔ)償方法使時間與波形相對應(yīng)，以抵消由此帶來的系統(tǒng)誤差。

3.3 時延估計算法

時差定位法是目前在對聲源定位中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。在利用時差定位法進(jìn)行定位時，首先需要確定同一目標(biāo)聲源到達(dá)不同傳感器之間的時間差。然后，結(jié)合傳感器陣列模型通過一定的幾何算法，利用已測得的時間差實現(xiàn)定位。因此，能否獲得精確的時間差將直接影響定位的準(zhǔn)確性。

互相關(guān)函數(shù)法既適合連續(xù)信號的時延估計，也適用于突發(fā)性信號的時延估計[14]，有著廣泛的應(yīng)用；其原理是先對兩個獨(dú)立傳感器接收到的兩個離散信號進(jìn)行濾波，然后求得兩者的互相關(guān)函數(shù)，相關(guān)函數(shù)的峰值所對應(yīng)的時間即為時延估計值。目前，許多學(xué)者在原有廣義相關(guān)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了廣義相位時延估計、基于小波變換的廣義相關(guān)時延估計算法和LMS時延估計算法等[15]。

考慮到計算任意兩個傳感器接收信號的互相關(guān)函數(shù)時，需用到權(quán)函數(shù)，此類方法往往要知道信號和噪聲的先驗知識，這在工程應(yīng)用中較難獲得；同時，此種算法假設(shè)條件中信號是平穩(wěn)的，限制了其應(yīng)用范圍。于是，有人提出用自適應(yīng)濾波器來代替廣義相關(guān)法的預(yù)想濾波器，設(shè)計了自適應(yīng)時延估計算法，此方法對于噪聲類型為高斯噪聲具有一定借鑒意義；但是在非高斯噪聲環(huán)境下，適應(yīng)性較差。

因此，文中借鑒了文獻(xiàn)[16]的思想，引入了“相關(guān)熵”的概念，其作為隨機(jī)變量間局部相似性的度量，是一種能夠反映其分散系數(shù)信息的統(tǒng)計量，被證明可作為自適應(yīng)時延估計算法的代價函數(shù)來進(jìn)行時延估計。應(yīng)用廣義相關(guān)熵函數(shù)法可通過構(gòu)造基本的相關(guān)熵函數(shù)，利用搜索相關(guān)熵函數(shù)的極大值來估計時延值。此算法在非高斯噪聲環(huán)境下不僅估計精度和抗造性能優(yōu)異，并且算法執(zhí)行難易程度與經(jīng)典互相關(guān)算法相同[16]，有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

4 結(jié)束語

本文以被動聲定位技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)武器彈藥試驗空炸點或開艙點測試問題為切入點，設(shè)計了一種空炸點聲學(xué)測量系統(tǒng)，在彈道偏差大、目標(biāo)特性弱、落彈區(qū)地形復(fù)雜等特殊條件下，提供了一套聲學(xué)解決方案。在對系統(tǒng)總體方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，明確了系統(tǒng)總體架構(gòu)和結(jié)構(gòu)組成，細(xì)化了分站和中心站關(guān)鍵處理流程。通過性能分析和實例計算，驗證了聲學(xué)傳感器完成爆炸信號檢測采集的可行性；并重點分析了影響空炸點測量精度的3項關(guān)鍵技術(shù)，為最終實現(xiàn)系統(tǒng)功能、保證測量精度提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

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