郭淳;李锦明;高根伟
【摘 要】www.ppm
为提高火炮武器的命中精度和攻击效果,提出了一种基于无源声探测的目标定位技术.系统通过传声器阵列采集目标声源发出的声信号,采用多个基阵定向结果对目标进行交汇定位,搭建了基于FPGA+DSP架构的基阵节点,对节点的软硬件进行了详细设计,并利用时延估计和定位算法解算出目标声源的三维坐标,实现对炮弹炸点的精确定位.最后模拟现场环境,设计完成了多次测试实验,验证了方位角估计理论的正确性及试验系统的可行性.实验数据表明,该方法具有较高的估计精度,可获得炸点的具体位置信息,具有一定的实用价值和应用前景.%In order to improve the hit precision and the attack effect of artillery weapon,a burst of multi array sound source localization system is designed.Through the microphone array acquisition target sound source of acoustic signals by multiple array directional results of target intersection positioning,the FPGA+DSP architecture is taken as the array node,which hardware and software are designed in detail,and the time delay estimation and localization algorithm solution of the 3D coordinates of the calculated target sound source is used to ac hieve precise positioning of shellburst.Finally,based on the simulation of the field environment and a number of tests,the correctness of the azimuth angle estimation theory and the feasibility of the test system have been verified.The results show that this method has high estimation accuracy,and can obtain accurate location information,which has a certain practical value and application prospect.
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2017(040)004
绝缘升降平台【总页数】7页(P987-993)
【关键词】无源声探测;声传感器;多基阵;炸点定位;时延估计
【作 者】郭淳;李锦明;高根伟
【作者单位】中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原
030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051
【正文语种】中 文
【中图分类】TN912
目标打击在军事打击、航空航天、靶场试验中有着广泛的应用,对炮弹扎落点的三维坐标测量一直是尖端武器设计的关键,因此各种定位技术和定位设备的研发一直倍受关注。随着信号捕获和信息处理技术的发展,通过探测目标自身的声、光、热等辐射信号的无源探测技术的研究越来越深入[1-2]。尤其是在恶劣环境下,声探测不收视线限制,可实现远距离和大范围的目标检测,因此通过声传感器实现对炮弹炸点的定位具有重要意义。
基于多基阵声源定位技术的炮弹炸点定位是将多个声传感器基阵节点布设在一片测试区域内,通过FPGA+DSP架构的基阵节点相互组织为无线传感网络,采集目标运动时发出的冲击波来初步实现了多个基阵工况下对目标炸点的定位,具有成本低、布设方便、精确度高等优点[3]。
1.1 单基阵定向算法
挤压件单个基阵采用基于到达小孔径传声器的时间差原理计算出基阵与目标炸点之间的角度信息。时延估计是指利用参数估计和信号处理等手段,对上述时间差进行估算,进而测定信源目标的距离、方位及速度等信息[4]。由于爆照声信号具有时间短、突变大及频率低等特点,提出一种基于多项式拟合的时延估计算法,首先对同步采集的多路信号进行去直流、低通滤波处理、然后对滤波后的信号做差,得到每路信号变化最快的一段波形,再对该段波形进行一阶多项式拟合,以该拟合直线与X轴的焦点作为声信号时延估计算法的判断点,具体流程如图1所示。
1.2 多基阵定位算法
单个基阵通过时延得出目标炸点相对于基阵坐标系的角度信息,因此将单个基阵看作是一个测角传感器,那么可将问题简化为基于到达方向角的多基阵定位问题[5-7]。
本系统共有3个小孔径传感基阵,第i个基阵中心坐标为ri(xi,yi,zi)(i=1,2,…,n),该基阵测量出的目标炸点相对于基阵中心的方位角和俯仰角分别是θi和φi,炸点坐标为p(xs,ys,zs)。目标炸点位置与角度满足如下关系式:
对上式展开后,可写成矩阵形式:
由于各个基阵求得的角度信息并不是真实值,存在一定误差,因此考虑A和B的噪声干扰,采用最小二乘(LS)算法,构造增广矩阵P=[-B:A],对其奇异值进行分解得到:
通过在测试区域布置多个传感基阵,每个基阵需用5个传声器安装在特制支架上使其组成立体5元阵。各个基阵通过自组织方式构成无线传感网络,当测试区域中的目标声源产生的声波传到各个传感基阵并且到达触发条件时,基阵由预采状态进入采集状态,对声信号进行采集[8]。采集完成后,传感基阵本地将数据进行解算处理,得到基阵相对于目标声源的方位角、俯仰角等信息。目标声源的角度信息数据通过无线模块传输至测控终端,测控终端将角度信息融合到最终得到的炸点位置信息并实时显示。随后,各个基阵对采集到的5路声信号的完整数据传送至测控终端,终端通过对声信号的进一步处理,加入风速风向、温湿度等因素的的补偿因子,对基阵模型以及时延估计误差进行算法修正,从而更加精确地修正目标声源的坐标信息。
手持gps怎么量测多基阵定位系统由声信号采集模块、信息处理模块、无线收发模块以及电源模块组成。通过测控终端从各个基阵中获取的炸点角度信息数据,通过炸点定位软件对角度信息数据进行
融合处理,最终得到炸点位置信息[9-10]。多基阵炸点声定位系统总体设计方案如图2所示。
2.1 声信号采集模块
爆炸声波的声压级比普通噪声信号高,因此采用动态范围大的全指向性驻极体式传声器MP215。其频率响应可达20 kHz～12.5 kHz,动态范围为23 dB～146 dB[11]。考虑到测试需搭建多个测试基阵,每个基阵需用5个传声器成本较高,故选用低成本的WM-64PN麦克风音头。电力安全性评价
2.2 信号处理模块
由于传感器输出的信号比较微弱且包含噪声信号,因此在送入AD采集之前需要对信号进行放大滤波等处理,考虑到声信号随距离的增加而衰减,为适应不同的应用范围,将信号放大部分设计为可调放大器,可根据实际应用中爆炸声信号的强度来调节放大倍数。对放大后的信号通过二阶有源低通滤波器进行滤波,使得其在通频带内的特性曲线更加平缓,在通频带外的曲线衰减更加陡峭。
经前置放大电路输出的信号为模拟信号,须转换为数字信号后才可送入FPGA进行处理,由于
计量罐单个基阵有5路声信号且时延估计算法要求处理同一时刻的声信号,因此系统选用6通道高速同步采样模数转换芯片AD7656,16位分辨率,单通道吞吐率最高可达为250 ksample/s[12],AD7656采样转换原理图如图3所示,V0～V5为6路模拟信号输入,DATAR0～DATAR15为16位数字输出,当为高电平时启动采样并转换模拟信号,此时BUSY信号状态为高电平,表示模数转换进行中。当模数转换完成后,BUSY变为低电平,此时拉低片选信号CS后控制读信号RD将数字信号读出并发送到FPGA处理。
2.3 主控模块
主控电路完成节点的逻辑控制、数据传输以及算法运行等功能,由DSP+FPGA架构组成,DSP作为主处理器,实现操作系统的运行、算法处理、指令控制,FPGA作为协控制器,实现并行采集、外部信号处理、接口转换等功能,二者结合实现了对高速信号的采集处理[13-14],其硬件框图如图4所示。
FPGA负责控制AD采集转换声信号,并对转换后的数字信号缓存、编码封帧后传至DSP进行进一步处理。DSP不断接受FPGA发送的数据并覆盖式存入FLASH中,当接收到所需的有效声信号数据时暂停接受FPGA传来的数据,接下来用时延估计算法计算得到声信号到各个传
感器的时间延迟信息,再采用定向算法解算出基阵与目标声源的方位角和俯仰角等信息,最后将数据分装成帧传至无线通讯模块。
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