聲探測技術在反狙擊系統中的應用

吳新捷　郗曉田　游林儒

摘 要：為了更有效地打擊狙擊手,降低狙擊手的威脅和傷亡率,設計了狙擊手聲探測定位系統。系統由4個成立體正方形的聲傳感器陣列、多通道聲信號同步采集器和TMS320高速信號處理器及實時顯示部分構成。采用基于小波變換的廣義相關時延估計方法進行時延估計,避免了信號和噪聲先驗知識難以獲知的缺點和信號平穩(wěn)性的約束,保證了空間定位的準確性。最后經仿真驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：聲探測;反狙擊;時延估計;定位算法

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-004-03

Application of Sound Survey Technology in Counter-ambush System

WU Xinjie,XI Xiaotian,YOU Linru

(School of Automation,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China)

Abstract：To attack the sniper effectively and reduce sniper′s threat and the casualty rate,the sniper sound survey positioning system is designed.System is composed of four three-dimensional square sound sensor array,multi-channel sound signal synchronization gathering and TMS320 high speed signal processor and real-time display part.Using the generalized related time-delay estimation method which based on the wavelet transformation,the shortcomings are avoided which the signal and the noise apriori knowledge is difficult to gain and the signal stable restraint,it guarantees the space orientation accuracy.〧inally,simulation proves the method is effective.

Keywords：sound survey;counter-ambush;time-delay estimation;location algorithm

0 引 言

對付狙擊手一直以來都沒有很好的技術手段,一般采用“以毒攻毒”,即以己方的狙擊手對付敵方的狙擊手的方式。然而這種方式存在著太多的不確定性,不能確保發(fā)現敵方的狙擊手,因此不適于不容有失的安全保衛(wèi)行動。隨著技術的發(fā)展,很多國家開發(fā)出狙擊手探測系統,主要有聲探測系統、紅外探測系統和激光探測系統。這些系統或以被動方式測定射擊彈道、確定狙擊手位置,或以主動方式發(fā)現潛伏的狙擊手,在一定程度上緩解了狙擊手的威脅。

紅外反狙擊手探測系統通過探測槍口閃光和飛行彈丸的紅外信號,來確定敵方狙擊手的位置。紅外探測器可以探測子彈出膛時的閃光,發(fā)現1 km距離內視線不被阻斷的目標。激光反狙擊手探測系統利用的是“貓眼”效應,貓眼在黑暗中發(fā)光,是由于貓的視網膜比身體其他部位的反射能力強。同樣,即狙擊手的瞄準望遠鏡也比周圍背景的反射能力強,當不可見光波段的激光束照射到其表面時,就會產生狙擊手不易察覺而激光探測系統能夠檢測到的較強反光,從而發(fā)現狙擊手。狙擊手聲探測定位系統(如圖1)通過布置一系列聲傳感器,通過精確測定槍口激波和彈丸飛行激波到達每個傳感器的時間差,可以精確計算出射擊位置,以及彈丸飛行彈道、飛行速度和槍械口徑。

在國外,聲信號探測是價格最低廉、測定最精確、使用最廣泛的狙擊手探測系統,而國內在這方面的研究還比較少。現以聲探測技術在反狙擊系統中的應用為目的,對該系統的組成及定位方法進行研究。

圖1 狙擊手聲探測定位系統

1 系統的組成

圖2為被動聲定位系統的硬件部分。系統將采集到的聲信號送入數字信號處理器,通過時延估計和定位算法實現對目標的定位。

圖2 系統方框圖

(1) 傳聲器是智能雷彈系統的耳朵,它通過其敏感元件把聲信號轉換成電信號,再經過前置精密放大電路后以電壓形式輸出。其質量和性能直接影響到系統的精度和能否正確反映被測信號的全部信息。本系統采用的是駐極體式電容傳聲器。

(2) 因為聲源的位置不同,到達接收器的信號幅度強弱不同,因此選用數控放大電路。

(3) 信號采集電路的分辨率和采樣率是影響時延估計精度的重要因素,因此,采集電路的設計必須采用高分辨率,高采樣率的數據采集系統。

(4) DSP是信號處理的核心,處理速度影響整個反狙擊系統的反應速度,所以在成本允許的情況下,應選用處理能力越強、運算速度越快的DSP。本系統采用TI公司的TMS320C6711浮點型DSP芯片,其指令周期為6.7 ns。

(5) 由于DSP直接接口需要DSP插入大量的等待周期,會導致實時顯示與高速顯示存在難以調和的矛盾,影響了通用方便性。鑒于此,用一片單片機來實現顯示功能,DSP只要往外部存儲器里寫進數據,單片機根據讀出的信息看是否顯示,這樣方便了編制程序以顯示DSP的運行狀態(tài),克服了上述矛盾。

(6) 由于測量精度的原因(假設目標距離為100 m,如果測出的角度有0.1°的誤差,則子彈擊中的目標距實際聲源將有0.17 m的誤差)及怕誤傷到別人,因此本系統中未包含狙槍自動反擊部分,而只是對目標方位進行檢測和顯示,人為進行反擊。

2 系統定位原理及算法

2.1 基于小波變換的廣義相關時延估計

廣義相關法是在估計接收信號的相關函數之前,首先對其進行預濾波,即等效于頻域的加權處理,以對信號和噪聲進行白化處理,增強信號中信噪比較高的頻率部分,抑制噪聲功率,從而獲得更好的時延估計精度。廣義相關的權函數一般有4種,它們都需要信號和噪聲的先驗知識,而在實際應用中并不都知道信號和噪聲的先驗知識,特別是不知道噪聲的先驗知識。同時它仍沒能取消信號必須是平穩(wěn)的這個假設條件。這就限制了時延估計的應用,降低了時延估計的精度。為此本文將小波分析引入相關時延估計方法中來克服上述缺點。

小波分析是把時域分析的頻率域表征為尺度域,即用聯合的時間和尺度平面來描述信號,由于小波的多分辨分析和小波包的多層分解,使它同時兼顧了短時傅里葉變換和時頻分析的特點,故在處理非平穩(wěn)信號中有一定的優(yōu)勢,由相關理論知：x(t)與Ψa(t)的相關為：

R﹛Ψa(τ)=∫∞－∞x*(t)1[]aΨt－τ[]a[SX)]dt

(1)

當x(t)為實數時,式(1)變?yōu)椋?/p>

R﹛Ψa(τ)=∫∞－∞x(t)1[]aΨt－τ[]adt

(2)

在x(t)與Ψa(t)均為實數時,可知：

WTx(a,τ)=aR﹛Ψa(τ)

從而說明了x(t) 相對基小波Ψ(t)的小波變換就是x(t)與Ψa(t)=1[]aΨt[]a相關且乘以系數a。

借鑒廣義相關時延估計理論的加權法,在此用基小波在不同尺度下的頻譜Ψ*(aω)對相關譜密度函數G﹛1x2(ω)進行加權,從而得到了基于小波變換的廣義相關時延估計。

R﹜1y2(τ)=F－1{G﹜1y2(ω)}=WT㏑﹛1x2(a,τ)=

1[]2π∫∞－∞G﹛1x2(ω)φg(ω)e﹋ωτdω=

a[]2π∫∞－∞G﹛1x2(ω)Ψ*(aω)e﹋ωτdω

(3)

其中:

φg(ω)=aΨ*(aω)。

這就相當于用小波產生h1(t)和h2(t)以形成權函數：

φg(ω)=H1(ω)H*2(ω)=aΨ*(aω)

(4)

這就是說,在相關前,利用小波分別對信號x1(t)和x2(t)進行濾波。因為小波加權相對經典加權不需要信號和噪聲的先驗知識,這也可說在x1(t)和x2(t)相關后再用小波變換處理其相關函數R﹛1x2(τ)。

2.2 定位算法

聲探測定位技術是利用目標發(fā)出的噪聲來對目標進行定位的。如何設計性能優(yōu)良、結構簡單合理的聲陣是被動聲定位的關鍵技術之一。傳聲器陣列可分為線陣、面陣和立體陣。線陣結構簡單,但線陣只能對陣列所在直線為界的半個平面進行定位。面陣可以在整個平面對目標進行定位,也可以對陣列所在平面為界的半個空間進行定位。立體陣則可以對整個空間進行定位,但其算法要復雜的多。從實際應用角度考慮,采用立體正方形陣來進行目標定位。

立體陣聲探測定位系統傳聲器的布置如圖3所示。其中S表示目標點聲源,M1,M2,M3和M4分別表示4個傳聲器。采用直角坐標系表示,4個傳聲器位于xoy平面上。設基陣邊長為L,M1,M3高為h,則傳聲器的坐標分別為M1(L/2,L/2,h),M2（L/2,L/2,0),M3（L/2,-L/2,h),M4(L/2,-L/2,0)。目標點聲源的坐標為(x,y,z)。S點距原點距離為r,目標方位角為φ,仰角為θ,設聲源S到M1,M2,M3和M4的距離分別為r1,r2,r3和r4。并規(guī)定d﹊j表示傳聲器Mi與Mj距點聲源的距離差,即:

d﹊j=SMi-SMj

圖3 傳聲器立體陣

在直角坐標系中,可以得到如下方程組:

x2+y2+z2=r2

(x-L/2)2+(y-L/2)2+(z-h)2=r21

(x+L/2)2+(y-L/2)2+z2=(r1+d21)2

(x+L/2)2+(y+L/2)2+(z-h)2=(r1+d31)2

(x-L/2)2+(y+L/2)2+z2=(r1+d41)2

(5)

解方程可得：

tan φ=(d31+d42)/(d31-d42)

cos θ=[KF()d231+d242[KF]]/[KF()2[KF]]l

(6)

3 仿 真

由于小波變換中所用基小波具有不惟一性且在小波變換中采用不同的小波基分析同一個問題會產生不同結果,則基于小波變換的廣義相關時延估計法存在最優(yōu)小波基的選擇問題。這里主要是通過用小波分析方法處理信號的結果與理論接觸的誤差來判定小波基的好壞,并由此選定小波基。該仿真在分析所有基小波特點并進行大量的、不同條件下仿真實驗后,確定用dbN小波作為該時延估計法的基小波(選用db8,如圖5所示)。需要說明的是基小波symN和coifN與dbN具有相似性,所以這里也給出基于sym4和coif5小波的仿真圖，如圖5所示。

為觀察方便,由相關運算引起的仿真輸出互相關函數在時間軸上平移了500個點在圖中都沒有減去。也就是說實際估計延遲時間應該等于輸出互相關函數峰值對應延遲時間減去相關運算點數。

該仿真采用非平穩(wěn)信號s(t)=2sin(2πft+qt),加入均值為零、方差為常數的高斯白噪聲,其中f=30,﹒=4。運算點數為L=500,延遲點數為D=48。

對比各圖可知基于小波變換的廣義相關時延估計法不僅取消了直接相關時延估計法的假設條件,而且提高了時延估計精度,增加了時延估計的方法,擴大了時延估計的應用范圍。

圖4 直接相關波形圖

圖5 基于小波變換的波形圖

4 結 語

概述了聲波定位技術在反狙擊系統中的應用,分析了系統的組成部分,提出基于小波變換的廣義相關時延估計方法,克服了傳統的相關時延估計法的缺點,提高了時延估計精度和應用范圍。該方法的缺陷是不能在每一個尺度上都很好地估計時延,同時有必要從理論上證明時延估計的最佳尺度。該系統的制作方法同樣適用于反坦克及反直升機系統。

參 考 文 獻

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作者簡介 吳新捷 男,1984年出生,在讀碩士。研究方向為信號與信息處理。

郗曉田 男,1959年出生,副教授。研究方向為人工智能與機器智能。

游林儒 男,1956年出生,教授。研究方向為嵌入式系統及信號處理。