人工增雨火箭彈爆炸聲程差采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王曉甜，毛永毅

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710061）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工增雨已成為緩解旱情、解決水資源緊缺和減輕天氣自然災(zāi)害的一種重要的手段和方法[1-8]。為了有效地評(píng)估人工增雨作業(yè)效果，確定增雨火箭彈爆炸位置非常重要。采用人工觀察的方法獲取增雨火箭彈爆炸位置精度較低，此外還會(huì)因?yàn)樘鞖獾纫蛩氐挠绊懺斐晌恢门袛嗍д`。利用增雨火箭彈爆炸聲程差對(duì)增雨火箭彈的爆炸位置進(jìn)行定位是一種有效、可靠的方法。

常用的聲源定位方法有AOA（Angle of Arrival，到達(dá)角度）、RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信號(hào)強(qiáng)度指示）、TOA（Time of Arrival，到達(dá)時(shí)間）、TDOA（Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）等方法[9-16]。TDOA 定位方法與其他方法相比，對(duì)各個(gè)聲音接收單元的同步性要求較低，硬件系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。人工增雨火箭彈炸點(diǎn)TDOA 定位方法的核心是獲取聲程差（聲音到達(dá)時(shí)間差），因此開發(fā)性價(jià)比高的火箭彈爆炸聲程差采集系統(tǒng)有著重要的意義。

1 系統(tǒng)方案及實(shí)現(xiàn)

基于TDOA 人工增雨火箭彈炸點(diǎn)定位方法的核心就是對(duì)爆炸聲音傳播時(shí)延進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)，通過(guò)布置一定數(shù)量的特性一致的聲傳感器單元采集同一爆炸聲源，然后利用各個(gè)聲傳感器單元采集到的炸聲信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算就可以獲得爆炸聲源的位置。采用這種方法不需要保持爆炸聲源與各個(gè)聲傳感器單元時(shí)間同步，只需要使各個(gè)聲傳感器單元時(shí)間保持一致即可，這也使得炸點(diǎn)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度降低。三維空間炸點(diǎn)定位時(shí)，至少需要4 個(gè)聲傳感器單元才能夠進(jìn)行炸點(diǎn)聲源位置估算。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)由N（N≥4）個(gè)聲傳感器單元和上位機(jī)控制單元組成。上位機(jī)單元由PC 機(jī)、路由器和防火墻等模塊構(gòu)成。傳感器單元以STM32F104ZET6 為核心，由傳聲器及信號(hào)處理模塊、北斗/GPS 導(dǎo)航授時(shí)模塊、4G 無(wú)線傳輸模塊、鍵盤與顯示模塊和電源模塊等構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

增雨火箭彈炸聲通過(guò)傳聲器及信號(hào)處理模塊傳送給STM32F104ZET6 單片機(jī)觸發(fā)中斷響應(yīng)，單片機(jī)讀取北斗/GPS 導(dǎo)航授時(shí)模塊的時(shí)間信息獲得炸聲到達(dá)時(shí)刻并通過(guò)4G 無(wú)線傳輸模塊將炸聲到達(dá)時(shí)刻數(shù)據(jù)傳送給PC 機(jī)。PC 機(jī)計(jì)算兩兩傳感器單元之間的炸聲到達(dá)時(shí)刻之差，即獲得火箭彈爆炸聲程差TDOA 值，可用于人工增雨火箭彈炸點(diǎn)定位。

2 傳感器單元硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器主控電路設(shè)計(jì)

微處理器采用STM32F103ZET6 處理器模塊。STM32F103ZET6 是基于Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微處理器，工作頻率最高為73 MHz，內(nèi)置閃存程序存儲(chǔ)器高達(dá)64 K，內(nèi)置8 MHz 的RC 振蕩器，自帶2 個(gè)12 bit AD，3 個(gè)USART 接口，兩個(gè)I2C 和SPI 接口，一個(gè)USB接口和CAN 可接口，一個(gè)PWM 定時(shí)器和3 個(gè)通用16位定時(shí)器。

STM32F103ZET6 主控電路具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力及豐富的外圍設(shè)備接口，負(fù)責(zé)接收火箭彈炸聲信號(hào)，獲取北斗/GPS 導(dǎo)航授時(shí)模塊的時(shí)間信息、通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)接收控制指令、通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)傳送炸聲到達(dá)時(shí)刻和炸聲聲強(qiáng)等數(shù)據(jù)。

2.2 傳聲器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

傳聲器信號(hào)處理電路工作原理如圖2 所示。傳聲器選用全范圍指向，傳輸距離可達(dá)3 000 m 的烽火HD-18C 拾音器。HD-18C 拾音器內(nèi)部采用DSP 數(shù)字降噪，具有AGC 自動(dòng)增益控制、ALC 自動(dòng)電平控制等功能。

圖2 傳聲器信號(hào)處理電路

HD-18C 拾音器工作的動(dòng)態(tài)范圍為0～65 dB，具有抗雷擊保護(hù)、電源極性反轉(zhuǎn)保護(hù)以及靜電保護(hù)等功能。

聲音信號(hào)調(diào)理電路選用美國(guó)TI 公司的INA128,它是一種低電壓通用型儀表放大器，可以通過(guò)一個(gè)外接電阻把增益設(shè)定為1～10 000，電源工作電壓為±2.25 V。INA128 內(nèi)部由兩級(jí)放大器串聯(lián)構(gòu)成，第一級(jí)由兩個(gè)同相放大器構(gòu)成，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)分別加在A1、A2 的同項(xiàng)輸入端。第一級(jí)具有很高的共模干擾抑制能力和高輸入阻抗。

第二級(jí)為差動(dòng)放大器，它不僅有效地降低了共模干擾，而且將雙端輸入方式轉(zhuǎn)換成單端輸出方式，可以有效地適應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要。

INA128的內(nèi)部噪聲很小，當(dāng)G≥100時(shí)，0.1～10 Hz的低頻噪聲產(chǎn)生的輸出的電壓大約只有0.2 μV。為了有效減小外部干擾和電源噪聲的影響，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要在緊靠電源引腳的地方連接去耦電容器。電路中電阻R1～R4為40 kΩ，R5～R6為25 kΩ。INA128 在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)外接一個(gè)獨(dú)立的外部電阻RG調(diào)整其放大倍數(shù)，電路放大倍數(shù)為G=1+50 kΩ/RG。輸出電壓Vo經(jīng)R7、R8分壓后產(chǎn)生Vo1送電壓比較器LM328。

當(dāng)有炸聲信號(hào)時(shí)，Vo1接入LM328 電壓比較器同相端，LM328 的2 腳的電壓可通過(guò)可調(diào)電阻R9進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)比較器的工作原理，當(dāng)V+＞V-時(shí),LM328 的1 腳就會(huì)輸出高電平并送至STM32F103ZET6 的PB3 端觸發(fā)中斷，執(zhí)行中斷處理子程序讀取北斗/GPS 導(dǎo)航授時(shí)模塊的時(shí)間信息。此外炸聲信號(hào)接入STM32F103ZET6 的PC0 端，通過(guò)AD 采 樣 可獲得炸聲的聲強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)，為炸點(diǎn)定位提供聲強(qiáng)信息。

2.3 北斗/GPS導(dǎo)航授時(shí)電路設(shè)計(jì)

北斗/GPS 導(dǎo)航授時(shí)模塊選用芯星通公司UM220-III N，該模塊采用BD2/GPS 雙系統(tǒng)導(dǎo)航、授時(shí)，廣泛地用于車輛調(diào)度與監(jiān)控、油田采油機(jī)監(jiān)測(cè)、電力授時(shí)等。UM220 支持單系統(tǒng)獨(dú)立定位和多系統(tǒng)聯(lián)合定位。UM220-III N 擁有UART、1PPS 等多種接口，具有可靠性、安全性及授時(shí)精度高等特點(diǎn)。UM220-III N工作頻率范圍為1 559～1 577 MHz，1PPS精度可達(dá)20 ns，可以滿足火箭彈炸聲到達(dá)時(shí)刻數(shù)據(jù)測(cè)量精度的要求。UM220 通過(guò)串口與STM32F103 ZET6 的串口UART1 進(jìn)行定位授時(shí)信息的通信。STM32F103ZET6 與導(dǎo)航模塊接口電路如圖3 所示。

圖3 STM32F103ZET6與導(dǎo)航模塊接口電路

2.4 4G無(wú)線傳輸電路設(shè)計(jì)

4G 模塊選用功耗超低的中興ME3760模塊，該模塊支持SIM 卡業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸功能，具有LTE 雙模多頻等優(yōu)點(diǎn)。由于ME3760 和STM32F103ZET6 內(nèi)部都集成有USB2.0 接口，可直接用于4G 模塊ME3760 和主控模塊之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。STM32F103ZET6與4G模塊ME3760的接口電路如圖4 所示。

圖4 STM32F103ZET6與4G模塊接口電路

3 傳感器單元軟件設(shè)計(jì)

傳感器單元軟件流程圖如圖5 所示。STM32F103ZET6 首先進(jìn)行上電初始化，然后通過(guò)對(duì)4G 模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)鏈接檢驗(yàn)，判斷是否正確建立網(wǎng)絡(luò)，若成功建立鏈接后則進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)，否則重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)鏈接檢驗(yàn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正確連接后，判斷是否有炸聲信號(hào)輸入，當(dāng)PB3 產(chǎn)生中斷時(shí)，說(shuō)明有炸聲信號(hào)輸入，此時(shí)STM32F103ZET6 通過(guò)串口讀取北斗/GPS導(dǎo)航授時(shí)模塊時(shí)間信息，對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行編碼，然后通過(guò)USB 接口將數(shù)據(jù)傳送給4G 通信模塊ME3760，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)。

圖5 傳感器單元軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

該節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試時(shí)采用高音揚(yáng)聲器代替爆炸聲源進(jìn)行了測(cè)試。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可靠性和精度，判斷炸聲是否觸發(fā)系統(tǒng)讀取時(shí)間信息，選取了不同聲強(qiáng)信號(hào)分別進(jìn)行50 次實(shí)驗(yàn)并對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)對(duì)大于40 dB 的聲強(qiáng)能夠有效地進(jìn)行識(shí)別和讀取時(shí)間信息，完成聲程差數(shù)據(jù)采集。

表1 炸聲識(shí)別率實(shí)驗(yàn)記錄表

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了基于STM32F103ZET6的人工增雨火箭彈聲程差采集系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)STM32F103ZET6檢測(cè)人工增雨火箭彈爆炸聲音，讀取北斗/GPS 導(dǎo)航授時(shí)模塊時(shí)間信息，獲得炸聲到達(dá)時(shí)刻并傳送給上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)計(jì)算得出人工增雨火箭彈爆炸聲程差，為炸點(diǎn)定位提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可精確有效地測(cè)量人工增雨火箭彈爆炸聲程差，系統(tǒng)對(duì)大于40 dB 的炸聲識(shí)別率達(dá)到95%以上。