刘德耀,陈志菲,郭心伟,宋卫华,鲍 明

(1.中国人民解放军92941部队,辽宁 葫芦岛 125001;2.中国科学院 声学研究所,北京 100190)

基于声学传感网络的弹着点定位系统

刘德耀1,陈志菲2,郭心伟2,宋卫华2,鲍 明2

(1.中国人民解放军92941部队,辽宁 葫芦岛 125001;2.中国科学院 声学研究所,北京 100190)

为了改变广域靶场内火炮系统弹道点测试依靠人工报靶的现状,建立了基于多声学传感器节点的弹丸落点声学测量系统,以实现脱靶量的实时准确测量。在考虑温度和风速等气象环境的影响下,利用阵列定向的网格搜索方法和TDOA定位方法,设计了适用于火炮弹丸声学传感网络目标定位的算法,通过模拟试验和静爆试验进行了测试。结果表明:测试区域边长在300 m量级时定位误差小于1 m,测试区域边长在3 km量级时定位偏差在6 m以内,因此该系统可用于弹着点实际定位测量,对实践应用具有重要意义。

弹丸;落点;传感器网络;声学测量

火炮射击准确度是评估火炮系统效能的重要指标,也是炮兵训练和演习的重要科目,因此实时准确报靶弹着点坐标是火炮靶场的重要测量任务之一。

目前,靶场中火炮弹着点测量多采用人工报靶,由于其时效低,准确度难以保证,已无法满足当前火炮系统测试和军事训练的要求。随着传感器网络技术的发展以及声学无源被动探测技术的优势,国内外基于声学传感器网络的火炮弹着点定位系统逐步获得应用[1-2]。现有的弹着点定位方法大致分为基于阵列定向交汇和基于TDOA定位两类方法。前者需要每个阵列节点对爆炸声波进行定向,然而在广域复杂地形条件下,每个节点定向结果易受反射、衍射声波影响。TDOA方法是根据爆炸声波到达各节点的时延差进行定位,其对应声程受气象条件和地形因素影响较大[3-4]。

本文利用区域网格划分和能量谱叠加改善了阵列定向交汇方法的定位性能,同时综合考虑气象和地形因素对声传播的影响,提高TDOA方法的定位性能。在此基础上,构建了基于分布式传声器阵列与单传声器节点的传感器网络,建立了适合广域复杂地形的弹丸落点声学测量系统,以实现弹着点的实时准确定位。

1 系统组成与工作原理

1.1 系统架构与组成

弹丸落点声学测量系统整体架构如图1所示,根据靶场地形分布可将其划分为若干区域,在每个区域建立相应的声学传感网络。

系统最上层为主控端,用户通过主控端实现对整个系统的控制管理、资源调度、信息交换与数据存储等。根据监测区域地形特点布置声阵列和单传感器节点,并在特定选取区域内设置区域主控基站。区域主控基站直接管理该区域内的声阵列和单传声器节点,通过汇集各节点的信号处理结果及原始声信号数据,在区域主控基站内完成本区域内弹丸落点的检测和定位。各个区域的集合覆盖了整个弹丸落点区域。区域主控基站与系统主控端的信息交互主要包括控制指令、部分修正参数、配置参数的下行和定位结果、定位参数、信号数据的上行。

系统单独设立气象测量节点,直接与系统主控端连接,负责提供系统覆盖区域内的风速、风向、温度和气压等环境条件信息。

1.2 工作原理

传声器阵列和单传声器节点完成弹丸落点信号的采集。图2为工作原理示意图,传声器阵列布放在区域周围,每个传声器阵列由24个传声器和一套信号采集处理主机组成,用于估计弹丸落点的空间谱;区域内布设若干个单传声器节点,用于检测爆炸冲击波信号并定位[7-10]。

系统布设完成后,需要标定各节点的坐标。系统运行时,弹丸落地前后各节点会采集到爆炸波和可能的弹道激波信号,基于神经网络方法检测识别出爆炸波信号,而后基于阵列定向和TDOA方法进行弹着点定位。因此,整个系统要解决的关键技术包括分布式阵列校准技术、爆炸波检测技术、波达方向估计技术、TDOA定位和信息融合等技术。

2 定位算法研究

2.1 基于阵列定向交汇的定位算法模型

传感器网络所监测区域作为一个能量场,弹丸落地爆炸后,阵列接收到的数据在落点方向的能量最强,各阵列交叉出一个能量最强的区域即为炮弹落点。因此,可以将靶区范围划分为多个网格区域,利用DOA算法计算每个区域下的空间能量谱,将每个阵列计算出的能量谱叠加,谱峰对应区块即为弹丸落点坐标。

如图3所示,假设有3台阵列Z1,Z2,Z3构成传感器网络系统,靶区被划分为若干网格,网格区域相对于各阵列节点的能量谱分别记为P1,P2,P3。

对于P1,每个网格与Z1阵列的夹角各不相同,设第i个网格对应的角度为θi,i=1,2,…,K,K为网格总数。若Z1阵列第m通道的坐标为(xm,ym),则其相对于参考阵元的时延为

式中:c为声速。第m通道接收到的由θi方向入射的信号为

xmi(t)=s(t-τmi)+nm(t)

(1)

式中:s(t)为爆炸声信号,n(t)为背景噪声。弹丸落地爆炸声为瞬态信号,所以待处理数据不分快拍。爆炸波的频率主要分布在50 Hz以下,取10～50 Hz的数据进行处理,设数据共分为J个频段,将式(1)的信号表示为频域形式为

X(wj,θi)=a(wj,θi)S(wj)+N(wj)

(2)

式中:j=1,2,…,J;X,S和N分别为式(1)中x(t),s(t)和n(t)的频谱;a(wj,θi)=(1e-jwjτ1i…e-jwjτki)为第i个网格入射到阵列的信号源的导向矢量;wj为第j个频点。

将上述导向矢量代入MUSIC算法的空间谱计算公式,得到第i个网格的能量谱为

(3)

式中:Un(wj)为wj频点数据的噪声子空间矩阵,上标H表示共轭转置。将所有阵列数据计算出的能量谱叠加得到P=P1+P2+P3,叠加后能量谱峰值对应的网格坐标即为弹着点坐标。

在图3所示阵列与炸点相对位置关系下,3个阵列参考阵元坐标:Z1的坐标为(200,900),Z2的坐标为(1 200,1 500),Z3的坐标为(1 000,500),真实落点在(600,800)处。图4给出了上述方法的空间谱,图中x和y轴为地面坐标系,P为能量叠加后的空间谱,其中峰值对应的坐标(600,800)即为定位结果。

2.2 单传声器节点定位算法模型

单节点网络的弹丸落点定位采用时延差(TDOA)定位算法。如图2所示,假定有M个单节点分布在二维平面,第p个传感器接收到的信号为

up(k)=s(k-τp)+ηp(k)

式中:p=1,2,…,M;s(k)为爆炸声波信号;τp为第p个传感器接收到信号的延迟时间;ηp(k)为对应的加性噪声。信号、噪声相互独立,噪声服从零均值高斯分布。

第p个传感器和第1个传感器接收到信号的TDOA表达式为τp,1=τp-τ1,p=2,3,…,M,则第p个和第q个传感器之间的TDOA表达式为τp,q=τp,1-τq,1,p,q=2,3,…,M,考虑噪声影响,实际的TDOA表达式为

假设(x0,y0)为目标的位置坐标,(xp,yp)为第p个传感器的坐标,则目标与第p个传感器之间的距离为

(4)

rp,1=rp-r1=cτp,1, p=2,3,…,M

(5)

由式(4)和式(5)得:

(6)

2.3 气象环境的影响

弹丸落点区域较大时,温度和风场对弹丸落点测量精度影响较大。

①温度影响。理想气体中小振幅声波的传播速度为

ct≈331.6+0.6θ

(7)

式中,θ为温度,单位为℃。爆炸波经过近地表传播到达声学节点,因此根据近地气温变化实时修正算法中的声速,可以实现定位系统的温度补偿。

②风速影响。风对声信号传播产生的影响主要有两个方面,一方面是风速对实际声速的直接影响,二是风速梯度使声线产生弯曲。野外测试场区中风速一般为每秒几m至十几m,靶区中由于声节点与弹丸落点间距一般在2 km范围内,因此这里不考虑声线弯曲效应。此时,声传播速度等于声速与风速的矢量和,即有效声速为

ce=c+vcosφ

(8)

式中:c为无风时的声速,v为风速,φ为两者夹角。通过将风速投影到爆炸点与声节点间的连线上,以修正不同节点的到达时延,改善TDOA方法的定位性能。

假定6个单节点均匀分布在半径为100 m的圆周上,弹丸落点在(0,0)处,风速矢量表示为x和y轴方向的分量的矢量和,则不同风速矢量下Chan方法的定位偏差δ如图5所示,图中vx和vy分别为x轴和y轴方向的风速。从图中可以看出,若不考虑风速的影响,采用Chan方法定位时,定位偏差δ随风速增加而逐渐增大。

弹着点监测系统需要根据实际地形条件合理布设节点,在平原区域爆炸声波较少受到地形影响,适合在其四周布设传声器阵列节点,通过阵列定向交汇方法确定单炮和群炮的弹丸落点;在丘陵和山地区域,通过引入地形因素对声线路径的影响,修正TDOA估计量,可以采用Chan方法进行弹丸落点定位。

3 试验验证

3.1 模拟试验

以平原区域为例,图6为靶场中4个传声器阵列和炸点的位置图,圆圈是阵列,星形是炸点,共有3个炸点依次引爆。试验采用礼花模拟弹丸落点产生的冲击声信号进行阵列定向交汇定位。为了减小阵元坐标引入的误差,阵列及爆点坐标均采用全站仪进行测量,见表1。

表1 阵列和炸点坐标

对于B1爆炸源,各阵列通道6的冲击声信号波形如图7。从图中可以看出,4个阵列接收信号均未发生失真,可以有效提取其时延信息,其他爆炸波信号与此类似。

基于阵列定向交汇方法估计上述3个炸点坐标,定位误差均在1m以内,其中B1的定位误差为0.87m,B2的定位误差为0.96m,B3的定位误差为0.90m。

3.2 静爆试验

在丘陵山地区域内,利用工业炸药爆炸模拟弹丸落地爆炸,进行系统验证试验。试验中,预先选择合适的弹丸落点位置,并利用差分GPS测量该点的坐标;引爆炸药后,系统实时采集数据并利用TDOA方法进行定位,比较测量坐标和报靶结果以评估定位精度。

表2 静爆试验落点监测结果

4 结束语

本文构建了包含多传声器节点的传感器网络,建立了适合广域复杂地形的弹丸落点声学测量系统,通过区域网格划分和能量叠加改善了阵列定向交汇方法的定位性能,同时综合考虑气象和地形因素的影响,改善TDOA方法的时延差估计精度,从而实现弹着点的快速准确定位。

本文实验结果尚未充分考虑到实际场地的地面起伏、多径干扰、多炮混叠等因素,且是在较高信噪比情况下得到的,后续将针对上述因素的影响进一步改善定位算法性能,完善系统信息融合。

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Measurement System for Projectile Impact-points Based on Acoustic Sensor Network

LIU De-yao1,CHEN Zhi-fei2,GUO Xin-wei2,SONG Wei-hua2,BAO Ming2

(1.Unit 92941 of PLA,Huludao 125001,China; 2.Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

To obtain the accurate coordinates of projectile impact-points,the acoustic sensor network(ASN)composed of distributed multi-sensor was adopted to monitor and locate the impact-points.Under consideration of atmospheric conditions,such as temperature and wind,the location algorithm was presented based on grid search and TDOA algorithm.The simulations and explosive experiments were carried out.The results show that the location error is less than 1 m in an area of 300 m×300 m.In an area of 3 km×3 km,the location error is less than 6 m.The system is feasible to locate the projectile impact-points,and it is great important in practical application.

projectile;impact point;sensor network;acoustic measurement

2016-11-17

刘德耀(1963- ),男,高级工程师,硕士,研究方向为舰炮试验技术。E-mail:zhongqingdeyao@163.com。

TJ303.4

A

1004-499X(2017)02-0085-05