一種基于傳聲器陣列的多彈丸作用情況判定系統(tǒng)及方法

張亞輝， 游 江， 王明啟， 劉鵬祖， 馮 松， 盧小汐

(中國人民解放軍63870部隊， 華陰 714200)

多彈丸是指單炮連發(fā)射擊彈丸、多炮齊射彈丸、子母式彈丸的子彈藥等。作用情況判定是指判定并統(tǒng)計多彈丸中彈丸作用的數(shù)量，如果是實彈真引信彈丸,則是彈丸爆炸的數(shù)量，與射彈量的差則為未爆彈數(shù)量,對瞎火彈銷毀尤為重要；如果是假彈真引信，則統(tǒng)計彈丸引信作用的數(shù)量,對武器系統(tǒng)鑒定至關(guān)重要。多彈丸特別是集束彈藥在試驗、訓(xùn)練和戰(zhàn)爭中存在大量的未爆彈藥，造成事后嚴(yán)重人道主義傷害問題[1-2]。各國已達成部分共識降低其危害[3]，但措施和方法仍受限于測試、控制技術(shù)，測試判定其作用情況是事后銷毀降低危害的前提。隨著實戰(zhàn)化演習(xí)開展，武器彈丸作用情況直接關(guān)系著打擊效果的綜合判定，且影響著后續(xù)任務(wù)的安全，工作量大，緊迫性強。

目前，單發(fā)彈丸的作用情況判斷相對簡單，發(fā)展較為成熟，可以運用光學(xué)測量系統(tǒng)拍攝其爆炸火光[4]；也可以運用雷達探測，爆炸時產(chǎn)生的煙、塵、揚土等可以被雷達探測[5]；還可以根據(jù)爆炸聲能量、頻譜等特性判斷彈丸是否作用[6-7]。然而，在多彈丸作用情況判定過程中，爆炸后煙或塵土大，前后遮擋，光學(xué)測試設(shè)備和雷達難以判定其整體作用情況。因此，急需開展多彈丸作用情況判定算法研究以及系統(tǒng)開發(fā)。

目前，中外很多有關(guān)彈丸爆炸聲學(xué)測試技術(shù)：高根偉等[8-9]通過采用單基陣，提出了全天候炮彈炸落點測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)炸點快速、精準(zhǔn)定位；董明榮等[10]通過采用多基陣聯(lián)合，實現(xiàn)了空中炸點定位。目前爆炸聲測研究主要集中在彈丸爆炸點坐標(biāo)測試方面，并且以單發(fā)為主，只能依靠人工統(tǒng)計爆炸波形，判定多彈丸作用情況，效率低、人力物力資源消耗大，且對于連發(fā)齊射彈丸統(tǒng)計準(zhǔn)確率較低。

因此，為了解決上述問題，首先分析多彈丸爆炸或引信作用時的聲學(xué)特性；其次，設(shè)計基于傳聲器陣的多彈丸作用情況判定聲波采集系統(tǒng)，提出一種對彈著區(qū)進行區(qū)域傳聲器布陣的方法和試驗測試數(shù)據(jù)采集流程；再次，提出了包含頻域濾波、時域分割、聲波波達角估計及信號空域分解的一整套信號處理方法；最后，根據(jù)分解得到的聲波信號和彈丸爆炸聲波特性判斷彈丸爆炸數(shù)量。為彈丸作用率計算、毀傷效應(yīng)評估和未爆彈銷毀提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 地面多彈丸爆炸聲波時域特性

連發(fā)彈丸的爆炸聲信號可等價于單目標(biāo)信號的線性疊加。多彈丸在很短的時間內(nèi)密集爆炸，聲波傳輸?shù)絺髀暺鲿r會發(fā)生時序混亂和疊加，其中疊加是造成爆炸聲數(shù)量不易判斷的主要因素。

1.1 聲波信號疊加

彈丸爆炸聲波常常會持續(xù)數(shù)十毫秒，不同位置和時刻彈丸爆炸的聲波可能在同一或非常接近的時刻到達傳感器，它們的聲波在空間上會產(chǎn)生疊加，2個傳聲器采集到4個爆炸目標(biāo)的聲信號,如圖1所示。

因為信號疊加不易區(qū)分爆炸聲波數(shù)量。當(dāng)彈丸數(shù)量更多，聲波信號持續(xù)時間更長的時候，以上情況更加嚴(yán)重。

1.2 時序混亂的分析

先爆炸的彈丸聲波信號可能因為距離遠后到達傳聲器。如圖2所示，A、B兩點的彈丸同時爆炸；C、D兩點為測試中兩個傳感器的位置。

圖1 某4連發(fā)彈丸聲波信號Fig.1 Sound signals of four automatic firing of a certain type projectile

圖2 炸點與傳感器位置示意圖Fig.2 Explosive point and sensor position location diagram

根據(jù)空間關(guān)系：對于傳聲器C先有A的聲波再有B的聲波；對于傳聲器D則相反。如果沒有信號時序混亂問題，可以在不同位置布設(shè)多個傳聲器，根據(jù)波達時刻直接計算彈丸爆炸點位置，從而有益于判斷彈丸爆炸數(shù)量，時序混亂致使問題進一步復(fù)雜。

2 聲傳感器布站及測試流程

進行多彈丸作用情況判定的目的是為了快速有效地估計出彈丸作用率，為武器系統(tǒng)效能評估提供數(shù)據(jù)支撐；另外，根據(jù)作用情況判定結(jié)果和射彈數(shù)可以獲知未爆彈數(shù)目，為后續(xù)的搜索、銷毀工作提供支持和指導(dǎo)。

2.1 判定原理

判定時域聲波信號中彈丸爆炸聲數(shù)量時，能夠判定聲波中至少有一個彈丸爆炸聲是其基礎(chǔ)。彈丸爆炸是能量在短時間、小空間內(nèi)迅速膨脹釋放的過程。在使用聲傳感器進行測量時，信號的時域、頻域分布都具有顯著的特征[11]。爆炸信號的四個時頻特征參數(shù)：①爆炸聲波信號時域表現(xiàn)為短時多脈沖，主脈沖的上升時間約為10 ms，信號持續(xù)時間約為100 ms；②常見火炮的爆炸聲波主頻在10～180 Hz；③信號能量在釋放傳遞的過程中，持續(xù)震蕩衰減，因此采集的信號包絡(luò)呈現(xiàn)出單邊下降的規(guī)律；④能量量級。相同類型彈丸爆炸產(chǎn)生的聲波能量基本一致。通過人工或采用信號處理計算特征參數(shù)的方法，符合以上四個特點及文獻[12]數(shù)據(jù)的，即存在相應(yīng)試驗彈丸爆炸聲波。

多彈丸聲波數(shù)據(jù)中包含爆炸聲波數(shù)與總射彈量的比值即為作用率。設(shè)計一套遠程陣列傳聲器聲波采集系統(tǒng)和相應(yīng)的聲波信號處理、分解方法，再結(jié)合人工判定方法計數(shù)被分解的聲波信號中爆炸彈丸的數(shù)量，從而達到多彈丸作用情況判定及作用率計算的目的。方法的核心在于信號的處理、分割和分解，它可以將一段疊加嚴(yán)重的聲波數(shù)據(jù)通過時域分割分段、空域濾波分解的方法分為若干個獨立的聲波數(shù)據(jù)，在這些獨立的聲波數(shù)據(jù)中，彈丸爆炸聲波的數(shù)量將顯而易見。

2.2 測試系統(tǒng)及傳聲器布站方法設(shè)計

基于傳聲器陣列的多彈丸作用情況判定系統(tǒng)組成及布站如圖3所示。該系統(tǒng)包括1個測試分站和1個中心站。測試分站由4個或4個以上傳聲器、同步數(shù)據(jù)采集卡、工控機、無線網(wǎng)橋等組成。中心站由計算機、無線網(wǎng)橋等組成。由于爆炸聲信號強烈，所以選擇靈敏度相對較低、動態(tài)范圍上限較高的傳聲器，否則信號可能失真，影響信號處理與分辨；同步數(shù)據(jù)采集卡采集位數(shù)要求≥24位，每路采集頻率≥10 kHz，這些主要都是為了信號能有一個較好的分辨率。

圖3 測試設(shè)備布陣Fig.3 Test equipments arrangement

測試設(shè)備布站方法：在理論落區(qū)一側(cè)布置測試分站，測試分站傳聲器均勻布置成規(guī)則形狀。鑒于靶場立靶彈著點聲學(xué)測量系統(tǒng)多為“一”字形布設(shè)，考慮到測試設(shè)備的通用性問題，此處仍然可以沿用“一”字形布陣，傳聲器間距d一般在1～20 m。數(shù)據(jù)仿真和實驗表明：當(dāng)爆炸區(qū)域在傳聲器陣一側(cè)，并且距離傳聲器陣超過100 m時，“一”字形、四邊形、五邊形……圓形以及立體布陣均能較好地實現(xiàn)爆炸信號分辨；當(dāng)爆炸彈丸不在傳聲器陣一側(cè)時，“一”字形不易區(qū)分，其他布陣方法有效。

彈丸落區(qū)一般為一個橢圓形，參照圖3，測試分站布置在橢圓形外側(cè)，最好選在橢圓短軸延長線附近，距離橢圓心一般為1～3倍橢圓短軸。本方法是在聲波信號時域分析、分割的基礎(chǔ)上加入了空域分析、分割，這里的空域主要指爆炸點相對于傳聲器的方向。基于這個理論，不難發(fā)現(xiàn)：①傳聲器布置在橢圓短軸一側(cè)，橢圓區(qū)域?qū)τ趥髀暺麝?，覆蓋方向越大，在同樣多彈丸大致均勻散布情況下，信號在角度上越容易分辨；②傳聲器陣布置在爆炸區(qū)域中間，彈丸爆炸點在傳聲器周圍360°散布，聲波信號來向上更易分辨，考慮設(shè)備安全問題，一般不這樣布設(shè)，另外，傳聲器距離落彈區(qū)太近時，不同距離爆炸彈丸在傳聲器處的聲壓級區(qū)別太大，不易處理信號判斷彈丸爆炸與否。

2.3 數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)采集流程步驟如下：

(1)調(diào)試設(shè)備：測試分站無人值守，中心站操作人員打開測試系統(tǒng)軟件發(fā)送命令給測試分站并設(shè)置采集參數(shù)時間：采集頻率10～100 kHz每路，采集位數(shù)24位，確保設(shè)備正常無故障時即可等待開炮。

(2)炮位開炮：炮位開炮前發(fā)送命令進入采集狀態(tài)，測試分站實時同步采集存儲各路聲信號，并通過無線網(wǎng)橋發(fā)送聲信號數(shù)據(jù)到中心站。

(3)結(jié)束采集存儲數(shù)據(jù)：彈丸作用完畢后，結(jié)束采集，同時中心站存儲各路聲信號數(shù)據(jù)，設(shè)為H1(t)、H2(t)、…、Hn(t)(n為傳聲器個數(shù))。

(4)處理信號判定彈丸作用情況。

3 信號處理及作用情況判定

系統(tǒng)進行聲學(xué)特征分析的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：聲信號的降噪與增強技術(shù)、聲波信號的分割技術(shù)、聲波信號陣列方向圖生成和波達角估計技術(shù)、聲波信號的空域濾波及分解技術(shù)。

3.1 聲信號的降噪與增強技術(shù)

部隊訓(xùn)練及兵器試驗所處環(huán)境復(fù)雜，采集到的聲波信號首先必須進行必要的降噪和增強處理。根據(jù)1.1節(jié)爆炸聲多脈沖震蕩衰減特性，采用拉普拉斯小波[13]濾波的方法降低噪聲幅度，進一步凸顯爆炸聲波。完整的拉普拉斯小波基函數(shù)為

ψ(ω,ξ,τ,t)=

(1)

參數(shù)矢量γ={ω,ξ,τ}決定了小波的特性，它的成員變量ω、ξ、τ和模態(tài)動力學(xué)相關(guān)，其中ω∈R+，為頻率，ξ∈[0,1)∈R+，為黏滯阻尼比，τ∈R，為時間參數(shù)；系數(shù)A為幅度，用來歸一化小波函數(shù)；Ws為小波緊支區(qū)間的寬度，它一般不需要顯式表示。由于ω=2πf，而f更直觀地表示了信號的頻率，此處一律用γ={f,ξ,τ}表示Laplace小波參數(shù)。f的單位為Hz，它決定Laplace小波的振蕩頻率。較大的阻尼比ξ使Laplace小波迅速衰減。Laplace小波具備“單邊衰減”特性的同時，其正交性很差，這就決定了不能用基于正交分解的傳統(tǒng)小波變化的方法來應(yīng)用Laplace小波。因而，一般常用的是使用不同的Laplace小波特征波形基在時域中與信號做相關(guān)運算，從而實現(xiàn)對被測對象的模態(tài)參數(shù)的識別，也即Laplace小波相關(guān)濾波法。運用拉普拉斯小波進行信號增強可以有效濾除噪聲干擾又不會破壞原有信號的形狀。

3.2 信號分割技術(shù)

在沒有彈丸爆炸時，聲波信號低平，當(dāng)有彈丸爆炸時，爆炸聲信號幅度很高，震蕩衰減。在各路聲波信號H1(t)、H2(t)、H3(t)、H4(t)中選取1個幅度較低爆炸聲波，取其幅度最大值M的1/3為閾值Q，則信號W(t)為

W(t)=H1(t)+H2(t)+H3(t)+H4(t)

(2)

4個傳聲器的最大間距3d，聲波在傳聲器陣的最大傳播時間為tr=3d/c(c為聲波傳播速度，d為傳聲器間距)。從信號W(t)前端開始，當(dāng)信號W(t)在tr時間范圍內(nèi)沒有爆炸信號時，即逐點判斷，當(dāng)在tr時間范圍內(nèi)沒有大于Q的幅值時，提取tr時間內(nèi)的信號以及它之前的信號為1個待分辨信號段Wi(t)(i∈1,2,3，…)；它之后的信號繼續(xù)進行前面的處理，直到把W(t)檢測完畢。得到信號段W1(t)，W2(t)，…，Wq(t)。W1(t)，W2(t)，…，Wq(t)在時域上與H1(t)，H2(t)，H3(t)，H4(t)對應(yīng)的信號，即起止時刻相同的信號表示為s11(t)，s12(t)，…，s1q(t)；s21(t)，s22(t)，…，s2q(t)；s31(t)，s32(t)，…，s3q(t)；s41(t)，s42(t)，…，s4q(t)。

3.3 陣列方向圖生成技術(shù)

傳聲器陣列可當(dāng)作一個空域濾波器[14]，在硬件上變現(xiàn)為4個陣元傳聲器，依次排成“一”字形，間距為d，如圖4所示。對s11(t)，s12(t)，…，s1q(t)；s21(t)，s22(t)，…，s2q(t)；s31(t)，s32(t)，…，s3q(t)；s41(t)，s42(t)，…，s4q(t)進行空域濾波，求取陣列方向圖，得到q個平面陣列方向圖。

圖4 傳聲器陣列及來波示意圖Fig.4 Microphone array and wave direction diagram

算法上表述如下：以陣列一端傳聲器M1為原點，平行傳聲器指向其他傳聲器的方向為90°，反方向為-90°，法線指向落彈區(qū)的方向為0°方向；當(dāng)波束形成器只允許輸入方向為θ的波通過，其他方向阻滯時，設(shè)τ1=0，τ2=-dsinθ/c，τ3=-2dsinθ/c，τ4=-3dsinθ/c，θ為來波方向與傳聲器陣列垂線夾角；輸入信號,即4個傳聲器分別接收到的信號分別為為s1(t)、s2(t)、s3(t)、s4(t)，其中t表示這段信號從開始到結(jié)束的時刻值，根據(jù)式(3)得到陣列輸出Y(θ)：

(3)

把信號分解在相應(yīng)的來波方向上，即是在得到該段信號的數(shù)個來波方向后，分別以這幾個方向的角度值運用式(3)對其進行空域濾波，陣列的方向圖表示為

(4)

根據(jù)式(4)，當(dāng)θ在-1 500～1 500密位遍歷時，得到不同角度值對應(yīng)的聲波能量G(θ)。

3.4 波達角估計與信號分解技術(shù)

根據(jù)陣列方向圖運用分水嶺法確定各段信號來波方向個數(shù)及方向，即以各圖最大值的1/3～1/2為閾值P，選取大于該閾值的連通域，連通域的個數(shù)即為該段聲波爆炸聲來向個數(shù)，連通域中間位置對應(yīng)的方向即為爆炸聲波來向。如圖5所示，一般情況下閾值選最大值的1/3～1/2。

圖5 基于分水嶺算法的信號分割示意圖Fig.5 Signal segmentation diagram based on watershed algorithm

有時，閾值P的選擇非常關(guān)鍵。設(shè)q段信號的來波方向個數(shù)分別為z1,z2,…,zq。z1,z2,…,zq的和應(yīng)接近火炮射彈量，如果明顯低于射彈量，可降低閾值重新計算連通域數(shù)量。根據(jù)各段信號的來波方向，運用式(3)對其進行空域濾波，把信號分解在相應(yīng)的來波方向上，共有z1+z2+…+zq=x個信號；x大于射彈量時，提高閾值P重新進行波達角估計與信號分解；x等于射彈量時，則彈丸全部爆炸。

3.5 作用率判定

經(jīng)過時域分割和空域濾波分解后的波形，每個波形存在爆炸聲的數(shù)量較少，可人工分辨每個波形的爆炸聲數(shù)量，將各個波形爆炸聲數(shù)量相加即為所有彈丸爆炸的數(shù)量，根據(jù)實際射彈量可計算作用率。

信號處理及作用情況判定過程中，根據(jù)陣列方向圖閾值的選取是此處的一個難點，很多時候人工根據(jù)經(jīng)驗判斷可直接得到合理的閾值。

4 仿真實驗與實彈試驗

4.1 仿真實驗

4.1.1 多彈丸爆炸聲信號生成方法

按照以下原則要求，構(gòu)建傳聲器陣列的仿真多彈丸爆炸聲信號：

①以某一彈丸爆炸信號作為其他爆炸信號的原版；②按照某類試驗彈丸落地規(guī)律，生成爆炸點坐標(biāo)和爆炸時刻；③按照本方法，合理布置傳聲器陣，產(chǎn)生傳聲器坐標(biāo)；④針對某一個傳聲器，根據(jù)爆炸點與傳聲器距離、爆炸時刻和爆炸聲模板生成各爆炸點聲波在這個傳聲器上產(chǎn)生的電壓波幅信號；此時，暫時不考慮它們的疊加問題，有多少爆炸點，就有多個爆炸聲時域信號；⑤為各爆炸聲加入白噪聲；⑥將各爆炸聲波幅度在時域上線性疊加生成該傳聲器產(chǎn)生的波形，如果某處有超出傳聲器陣測量系統(tǒng)量程的數(shù)值，一律取最大量程幅值；⑦其他傳聲器類似方法生成聲波信號。設(shè)置9個同時爆炸的聲波，如圖6所示。

圖6 爆炸聲極坐標(biāo)圖Fig.6 Explosion polar diagram

選取了某型彈丸爆炸聲波波形作為基礎(chǔ)，按上述方法仿真生成4個傳感器信號，如圖7所示。

圖7 爆炸聲波波形Fig.7 Explosion wave forms

聲波采集頻率Fs=11 520 Hz，采集點時間間隔即幀間隔為1/Fss。由于爆炸點的位置比較集中，彈丸同時起爆，爆炸聲波疊加，從圖中很難辨識、判定爆炸聲的數(shù)量。下面根據(jù)本算法逐步處理信號、判定爆炸彈丸數(shù)量。

4.1.2 信號分割

信號經(jīng)過必要的濾波、增強后進行分割分段。先分段而不是直接進行陣列方向圖生成、波達角可能原因為：彈丸太多時來波方向必然很多，角度非常接近的可能性增大，致使波達估計復(fù)雜化。根據(jù)2.2節(jié)介紹，單個聲波在傳聲器陣的最大傳播時間為tr=3d/c內(nèi)無爆炸聲波處可作為分割點，根據(jù)仿真條件將信號分為前后兩段，后文稱為第一段和第二段，分段結(jié)果如圖8所示。

圖8 多彈丸爆炸聲波分段結(jié)果Fig.8 Segmentation results of multiple projectiles explosion acoustic wave

4.1.3 陣列方向圖生成

根據(jù)2.3節(jié)生成兩段信號的陣列方向圖，并將角度值平移90°至0°～180°。兩段信號的陣列方向如圖9所示。

圖9 兩段的陣列方向圖Fig.9 Array pattern of two segment signal

陣列方向圖反映了0°～180°各角度聲波來波能量。因為爆炸聲遠大于背景噪聲，所以，縱坐標(biāo)幅度較大處對應(yīng)的角度應(yīng)該有爆炸聲。

4.1.4 波達角估計

運用分水嶺法確定幅度最大值的1/3～1/2為閾值，選取大于該閾值的連通域，連通域的個數(shù)即為該段聲波爆炸聲來波方向個數(shù)。

由圖10(a)可知，第一段信號的方向圖得到4個來波方向，第二段信號也得到4個來波方向，兩者之和8接近射彈量9。來波方向為10°、20°、120°、160°、35°、20°、60°、70°。由圖10(b)可知，第二段信號方向圖有一個峰值極高，高于第一幅陣列方向圖峰值2～3倍，緊接著3個峰值高度相當(dāng)，其峰值也與第一幅陣列方向圖的峰值相當(dāng)，為200～300，所以，有3+1個強聲來向，1個能量極強，說明這個方向上有多個爆炸聲波。

圖10 兩段信號不同閾值時得到的來波方向Fig.10 The direction of incoming wave at different thresholds of two signals

4.1.5 信號分解與作用率判定

根據(jù)式(1)將第一段信號分解到10°、20°、120°、160° 4個爆炸聲來波方向上；將第二段信號分解到35°、20°、60°、70°共4個爆炸聲來波方向上。容易觀察，第一段信號的4個分解信號各有一個爆炸聲，此處不再列出分解信號。第二段信號的分解信號如圖11所示。

圖11 35°方向來波波形Fig.11 Wave form in 35° direction

圖11第一個波形是根據(jù)式(1)直接分解的結(jié)果，第二個波形是根據(jù)式(5)并經(jīng)過帶通濾波后的波形?？梢钥闯?，該方向上有兩個爆炸聲信號。

(5)

根據(jù)式(5)，可類似地對20°、60°、70°方向上信號進行空域濾波，最終獲知：這三個方向上只有一個爆炸聲波。綜合分析得到，本次仿真信號中有9個爆炸聲信號，彈丸全部作用。

4.1.6 測試方法分辨率分析

以理論上講，在同一范圍、同一微小時間段內(nèi)(如數(shù)秒)射彈量倍增，達到近百發(fā)，甚至數(shù)百發(fā)，那么聲波疊加進一步加劇，當(dāng)來自同一個方向上的爆炸聲波疊加在一起時，不能分辨。當(dāng)射彈量不是非常多，但恰巧有來自同一個方向上的爆炸聲波疊加在一起時，單個傳聲器陣判別作用情況會帶來誤差，盡管在射彈量不很大的情況下極少遇到。擬定不同數(shù)量、不同時間段彈丸在600 m×400 m范圍內(nèi)隨即爆炸，類似本節(jié)采用的方法進行仿真實驗，表1所示為彈丸數(shù)量與出錯數(shù)量情況。仿真過程中，彈丸種類為82 mm迫彈，即應(yīng)用實際82 mm迫彈聲波仿真。

表1 多彈丸作用判定時的出錯數(shù)量

由表1可以看出，當(dāng)每組彈丸數(shù)量不大于43發(fā)時，本方法幾乎不會出錯，當(dāng)每組彈丸數(shù)量遞增到50發(fā)而爆炸時間段在2 s時，方法開始出現(xiàn)少量錯誤，當(dāng)時間段不變，爆炸彈丸數(shù)量繼續(xù)激增時，出錯數(shù)量也快速增大。另外，如果爆炸時間段拉長時，出錯數(shù)量陡降。

可通過在不同方向多布置幾個傳聲器陣，以及提高傳聲器陣列角度分辨率的方法提高分辨能力，減小誤差。常見的靶場及作戰(zhàn)試驗，每組射彈量一般小于40發(fā)，當(dāng)射彈量增加時一般是分組的，組與組之間有數(shù)秒以上的時間間隔，互不影響，本方法可滿足一般靶場及作戰(zhàn)試驗測試判定需要。

4.2 實彈試驗與使用條件

在某型迫彈靶場實彈試驗過程中，測試區(qū)域為1 km×1.5 km，射擊彈丸48發(fā)，4組8發(fā)，1組16發(fā)，每組彈丸均在約2 s內(nèi)射擊完成，傳感器陣列為線性5元陣，傳感器間距為0.5 m，布站位置距離測試區(qū)域中心約1 km，方向朝向與圖6一致，采集頻率為10 k。

應(yīng)用該方法對現(xiàn)場爆炸聲波采集、處理以及分析。最終判定結(jié)果與實際搜尋彈坑數(shù)據(jù)對比，沒有數(shù)量偏差。其中一組16發(fā)彈丸爆炸畫面如圖12所示，聲波波形如圖13所示，從波形上可以比較清晰地看出12個爆炸聲波，經(jīng)過時域分割后，信號被分為4個段，再經(jīng)過空域濾波和波形分解后，得到15個爆炸波形，1發(fā)彈丸未爆。

圖12 16連發(fā)彈丸爆炸畫面Fig.12 Explosion picture of16 repeating projectile

圖13 16發(fā)彈丸爆炸聲波波形Fig.13 Sound signals of 16 repeating projectile explosion

本方法在作戰(zhàn)試驗和靶場試驗應(yīng)用以來，測試判定多彈丸數(shù)十組，每組彈丸數(shù)量在4～32發(fā)，包含迫彈、榴彈等型號彈丸。射彈落地范圍一般在數(shù)百平方米，每組彈丸爆炸過程時間范圍一般在數(shù)秒至數(shù)十秒。在實彈射擊試驗中，傳聲器采集除了能夠采集到爆炸聲波外還可以采集到炮口聲波，跨音速、超音速落地彈丸還能夠采集到彈道波，在爆炸區(qū)域，炮口聲一般遠小于爆炸聲，并且與爆炸聲出現(xiàn)在不同時域內(nèi)，不影響方法的使用，有些彈丸彈道波聲波幅度與爆炸聲波相近，但因其頻域、空域的區(qū)別，在使用該方法時可以先進行頻域和空域濾波。

以往，判斷多彈丸作用率最常用、最直接的方法就是事后人工搜尋彈坑和未爆彈，工作量和危險性不言自喻。也有考慮應(yīng)用光學(xué)攝像，但經(jīng)常性的彈丸脫離相機視場和大范圍煙火遮擋讓這種方法不再應(yīng)用。本方法具有代價小、應(yīng)用簡便、可信度高、不受能見度影響全天時工作的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于靶場。

使用時，也應(yīng)考慮地形、氣象對使用的影響。當(dāng)彈丸爆炸區(qū)域?qū)儆谇鹆?、山坡地，但爆炸點均與傳聲器布設(shè)位置通視時，可選用立體布陣，考慮高低方向問題；當(dāng)爆炸點與傳聲器陣之間有明顯大型建筑或山坡阻擋，或測試區(qū)域回聲特別明顯時，方法失效。一般丘陵、緩緩升高的山地，傳聲器陣所處地面，聲波回聲不明顯，可以使用。氣象因素對使用的影響，這里主要考慮風(fēng)，因為雨雪等條件下極少試驗。風(fēng)會對聲波的傳播方向產(chǎn)生影響，并且增大背景噪聲。因為連發(fā)爆炸聲波密集，時域很短，其對方向的影響屬于整體偏移式影響，對判定結(jié)果影響不大。因為彈丸爆炸聲波非常強烈，所以，增大的背景噪聲對其信號處理和判定影響也不大。這個總結(jié)，來源于對風(fēng)速小于10 m/s的數(shù)據(jù)仿真和實驗驗證。當(dāng)風(fēng)速更大時，需要另行分析。

5 結(jié)論

提出了一種基于傳聲器陣列的多彈丸作用率測試判定技術(shù)。通過在試驗彈著區(qū)安裝低成本傳聲器陣列，實現(xiàn)對彈著區(qū)的聲學(xué)全域監(jiān)測。分析傳聲器陣采集到的聲波信號，采用濾波分析技術(shù)進行聲學(xué)信號的降噪與增強；對各路信號疊加并根據(jù)彈丸爆炸聲波能量經(jīng)驗閾值和彈丸散布范圍分割信號；采用波束形成器生成信號方向圖，采用分水嶺法確定各段信號來波方向個數(shù)及方向，采用空域濾波技術(shù)將信號分解到相應(yīng)的方向上，從而試驗人員可以結(jié)合爆炸聲信波特點清晰計數(shù)彈丸爆炸聲波數(shù)量，并根據(jù)射彈數(shù)量計算作用率、瞎火率和瞎火彈數(shù)量。通過仿真實驗和實彈試驗，證實了本方法的正確性與有效性。在此基礎(chǔ)上，未來將進一步研究多陣列布陣，利用各陣列測試得到的爆炸聲來波方向交會定位多彈丸爆炸點坐標(biāo)。