雷 鸣 陈祥杰

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021)

影响五元十字阵声学定位精度因素分析*

雷 鸣 陈祥杰

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021)

在空中炸点定位算法中,平面五元十字阵模型及其基于TDOA原理的被动声定位算法凭借其设计方便、成本低、定位精度高等优点被广泛使用,但是该模型也存在一定的缺陷,论文主要对影响五元十字阵定位精度的因素进行分析,为被动声定位算法的改进提供重要的理论依据。

空中炸点; 五元十字阵; 被动声定位算法; 误差分析

Class Number TP301

1 引言

随着科学技术的飞速发展,信息化战争已经完全取代了传统的战争模式,成为现代作战的主要手段,这就对从战争中获取信息的实时性和可靠性有着更高的要求。声探测定位技术以独特的优势被广泛应用于军事及民用中。近年来,平面五元十字阵在测量空中炸点定位的领域占有重要的地位,但是实验证明,平面五元十字阵在使用过程中有很大的缺陷,本文主要针对该算法在公式使用过程中存在的问题以及影响定位精度的因素进行分析,为被动声定位算法的改进提供重要的依据。

2 五元十字阵模型及其算法

五元十字阵模型的提出主要是为了克服四元十字阵声定位算法定位精度容易受目标方位角影响的问题,其模型如图1所示,其中以传声器O作为坐标原点,传声器A、B、C、D均在坐标轴上,且与中心点的距离均为d,设爆炸点的位置为P(x,y,z),那么各传感器到P点的距离分表为RO、RA、RB、RC、RD。根据TDOA原理以及传声器之间的集合关系可得如下方程组:

(1)

(2)

(3)

结合以上三个方程组,通过推导可得:

(4)

3 初始时刻的验证

由式(4)可以看出,声定位的精度取决于时间差,但是该算法存在一个漏洞,即当tAO+tCO-tBO-tDO=0时该算法不可行,此时就需要知道炸点爆炸瞬间的初始时刻,为了验证该算法是否需要初始时刻,令tAO+tCO-tBO-tDO=0进行验证。结合方程组(1)、(2)、(3)经计算推导可知,有两种情况下可以使得tAO+tCO-tBO-tDO=0,即在z轴上以及|x|=|y|,此时的计算公式如下:

图1 五元十字阵结构图

1) 在z轴上面时,x=y=0,z=ct；

2) 当|x|=|y|时

(5)

通过以上两种情况的推导过程,可以看出这两种情况下是需要初始时刻的,而计时模块无法精确地提供炸点爆炸瞬间的初始时刻,所以该平面五元十字阵定位算法在这两种情况下无法实现有效的定位。

4 影响声定位精度的主要因素

4.1 声速对定位精度的影响

在五元十字阵被动声定位算法中,声速对定位精度的影响不容忽视,而我们一直将声速当做一个固定量c=340m/s,但是在现实情况下,声速受到很多外界因素的影响,而且其变换比较大,所以首先要对声速进行分析和处理。

4.1.1 温度对声速的影响

在实际试验环境中,空气压强、密度、温度、风速等对其都有一定的影响,在大气中声速为压力p,密度ρ0,比热比γ=Cp/Cv的函数：

Effects of metals in cosmetics on human health(To be continued) 1 10

(6)

式中t表示摄氏温度,常用的c=340m/s是在国际标准大气特性下,温度为15℃情况下的声速。

(7)

则由温度变化一起的测时误差为

(8)

4.1.2 风速对声速的影响

风速对声波传播的影响是明显的,可以通过对任意两个相邻传声器Mi、Mi+1的分析来说明风速对定位精度的影响,风速修正图如图2所示。

图中假定声波的传播速度为c,声波在传声器Mi、Mi+1间传播时间为t0。无风时,以声源到第i个传声器的传播时间为ti=Di/c。倘有风速ω存在,在时间ti内使声源移动Dω=ω·ti=ω·Di/c。由于声速ω,声源相当于(x′,y′),这时

(9)

图2 风速修正图

则有:

(10)

因风速的存在引起的时间误差Δtw：

(11)

由图2可知

(12)

从而

(13)

所以:

(14)

4.1.3 声速标定

根据以上分析,可以看出声速对定位精度的影响是不容小觑的,所以在每次试验之前非常有必要测出当前环境下的声速,为此,本文设计出了声速标定装置,其结构框图如图3所示。其工作原理如下:在某一位置放置一个声源,在距其一定的位置处放置一个声宿装置,然后利用激光探测仪精确地测出两点之间的距离L,利用距离L以及收发声信号的时间差t,就可求出声速c1。但是为了进一步提高声速的精度,可以使用滑动槽将声宿装置向前滑动一定的距离,测出此时的距离L1以及时间差t1,同时也可以求出此时的声速c2。按此方法多次进行测量,然后对每次求出的声速进行加权平均,最终求出当前状态下的声速c。

图3 声速标定装置原理图

4.2 计时对定位精度的影响

五元十字阵模型的定位算法是基于TDOA原理的,而且计算得出的定位参数都与时间差密切相关,所以计时模块的时间读取直接决定着定位的精度,所以该系统对计时的精度有着较高的要求,而实验过程中经常使用示波器读取波形之间的时间差,该方法已经无法达到系统对计时精度的要求,所以在系统设计过程中,选取计时精度较高的stm32单片机作为主控芯片,系统的定时精度可以达到10μs,此时的理论误差应为3.4mm,但是在实际情况下,影响计时的因素很多。

4.3 声传感器对定位精度的影响

本文使用了五个驻极体式声音传感器,在性能上不能完全保持一致,尤其在声传感器的温度漂移上存在一定差异,导致声传感器引起实验误差,驻极体式声传感器自带随机噪声信号,且无法对其校零,使得接收到的声源声音信号有微弱的失真。另一方面,当炸点声源与声传感器距离较远时,信号声压较弱,声传感器自身的随机噪声会与声源噪声信号相混淆,对有效信号探测造成误差。

4.4 信号传输过程中的误差

五元十字阵的整个系统可以分为五个模块:信号采集模块、信号预处理模块、单片机计时模块、电源模块以及数据显示模块。该系统的工作原理如下,当声传感器采集到声信号之后,首先经过声电转换将声信号转换成电信号,然后经由传输线传送给信号预处理模块,信号预处理模块将信号进行放大、滤波、整流、比较后,将比较后的高低电平信号传输给单片机计时模块,控制计时的停止,最后将单片机计时模块的数据经由串口传输给上位机,由上位机显示出实验数据,便于读取。

通过对整个系统的工作流程可以看出,从采集到的声信号到最终的数据显示主要经过几层的数据传输和处理,所以该系统对数据的传输也有着较高的要求。信号在传输过程中的失真甚至丢失对最终的定位也有着一定的影响。尤其是在声信号采集模块与信号预处理模块之间的传输,虽然在此过程中选用了屏蔽效果较好的传输线,屏蔽了一定信号干扰,但是不可避免地也会存在一定的干扰因素,这些干扰因素以及长距离的数据传输会导致信号在传输过程中产生一定的失真甚至是丢失,另外数据在串口中传输速率存在一定延时,导致数据丢失,造成位置测量不准确。

5 结语

本文主要对影响定位精度的因素进行了分析,由以上分析可见,该平面五元十字阵被动声定位算法存在一定的缺陷,当目标方位角位于|x|=|y|以及z轴上时,该定位算法不可行,此时需要提供炸点爆炸的瞬间时刻,另外影响定位精度的因素很多,其中主要有声速、温度、风速等,这就为被动声定位算法的改进提供了重要的理论依据。

[1] 肖峰,李惠昌.声,武器和测量[M].北京:国防工业出版社,2002:7-10. XIAO Feng, LI Huichang. Acoustic, weapon and measurement[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2002:7-10.

[2] Lin Zhibin, Xu BoLing. Three-dimensional Localization of Multiple Acoustic Sources Using Spherical Microphone Array[J]. Nanjing University(Natural Sciences),2007,4(20):384-394.

[3] Steven M.Kay.统计信号处理基础-估计与检测理论[M].罗鹏飞,译.北京:电子工业出版社,2011:185-190. Steven M.Kay.Statistical signal processing based on estimation and detection theory[M]. Luo Pengfei, translation. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2011:185-190.

[4] 刘小刚.基于四元十四字阵的声被动定位研究[D].南京:南京大学理工大学硕士学位论文,2005. LIU Xiaogang. Research on passive localization of acoustic passive location based on fourteen element and four words[D]. Nanjing: a master’s thesis of Nanjing University,2005.

[5] 白敏.基于TDOA的陆基多点定位设计与定位算法研究[D].重庆:重庆大学,2010. BAI Min. Based on TDOA’s land-based multi point positioning design and algorithm research[D]. Chongqing: Chongqing University,2010.

[6] 董明荣,张彤,许学忠,等.空中炸点被动声三基阵定位系统误差仿真[J].系统仿真学报,2011,23(5):897-901. DONG Mingrong, ZHANG Tong, XU Xuezhong, et al. Point passive acoustic Sanji array positioning system error system simulation[J]. Simulation of aerial blast,2011,23(5):897-901.

[7] 雷鸣,陈绍钦,雷志勇.近地炸点声定位算法研究[J].计算机测量与控制,2012,20(3):734-736. LEI Ming, CHEN Shaoqin, LEI Zhiyong. Research on Localization Algorithm of point near the bombing[J]. Computer Measurement and Control,2012,20(3):734-736.

[8] 叶建森.基于声延时测量技术的弹落点定位系统的设计与实现[D].太原:中北大学,2009. YE Jiansen. North Central University design and implementation of[D]. Taiyuan: missile impact location system based on acoustic time delay measure technology,2009.[9] Li Ping, Shi Jusheng. Accuracy analysis of Passive acoustic location system in air[J]. Elementary Electroacoustic,2007,31(5):42-45.

[10] Zhang Chuan, Chen Yunxiang, Li Xiaodong. Research on Measuring the Bursting Point Based on time difference of arrival between sound wave and scismic wave[J]. Journal of Detection and control,2007,29(4):31-35.

[11] 严素清,黄冰.传声器阵列的声源定位研究[J].电声技术,2004,12:27-30. YAN Suqing, HUANG Bing. Microphone array sound source localization of[J]. electro acoustic technology,2004,12:27-30.

[12] 柯昆.声源定位技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2010:29-30. KE Kun. Research on sound source localization technology[D]. Xi’an: Xi’an Electronic and Science University,2010:29-30.

Analysis of Factors Affecting Acoustic Positioning Accuracy of Five Element Cross Array

LEI Ming CHEN Xiangjie

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

In the aerial blast point positioning algorithm, planar five element cross array model and passive acoustic localization algorithm based on TDOA with the convenience of the design, low cost, high precision positioning are widely used, but the model also exist some defects. This paper mainly analyzes the film ring of five element cross array positioning accuracy factors, provides an important theoretical basis for the improvement of passive acoustic localization algorithm.

aerial blast points, five element cross array, acoustic passive localization algorithm, error analysis

2016年9月13日,

2016年10月21日

雷鸣,男,硕士,副教授,研究方向:测控技术与通信技术。 陈祥杰,男,硕士研究生,研究方向:信号处理,通信与信息系统。

TP301

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.004