人工增雨火箭彈爆炸聲程差采集系統設計

王曉甜，毛永毅

（西安郵電大學電子工程學院，陜西西安 710061）

隨著科學技術的發展，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害的一種重要的手段和方法[1-8]。為了有效地評估人工增雨作業效果，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，此外還會因為天氣等因素的影響造成位置判斷失誤。利用增雨火箭彈爆炸聲程差對增雨火箭彈的爆炸位置進行定位是一種有效、可靠的方法。

常用的聲源定位方法有AOA（Angle of Arrival，到達角度）、RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信號強度指示）、TOA（Time of Arrival，到達時間）、TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）等方法[9-16]。TDOA 定位方法與其他方法相比，對各個聲音接收單元的同步性要求較低，硬件系統易于實現。人工增雨火箭彈炸點TDOA 定位方法的核心是獲取聲程差（聲音到達時間差），因此開發性價比高的火箭彈爆炸聲程差采集系統有著重要的意義。

1 系統方案及實現

基于TDOA 人工增雨火箭彈炸點定位方法的核心就是對爆炸聲音傳播時延進行準確的估計，通過布置一定數量的特性一致的聲傳感器單元采集同一爆炸聲源，然后利用各個聲傳感器單元采集到的炸聲信號到達的時間差，經過相關計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聲傳感器單元時間同步，只需要使各個聲傳感器單元時間保持一致即可，這也使得炸點定位系統的實現難度降低。三維空間炸點定位時，至少需要4 個聲傳感器單元才能夠進行炸點聲源位置估算。系統設計框圖如圖1 所示。系統由N（N≥4）個聲傳感器單元和上位機控制單元組成。上位機單元由PC 機、路由器和防火墻等模塊構成。傳感器單元以STM32F104ZET6 為核心，由傳聲器及信號處理模塊、北斗/GPS 導航授時模塊、4G 無線傳輸模塊、鍵盤與顯示模塊和電源模塊等構成。

圖1 系統設計框圖

增雨火箭彈炸聲通過傳聲器及信號處理模塊傳送給STM32F104ZET6 單片機觸發中斷響應，單片機讀取北斗/GPS 導航授時模塊的時間信息獲得炸聲到達時刻并通過4G 無線傳輸模塊將炸聲到達時刻數據傳送給PC 機。PC 機計算兩兩傳感器單元之間的炸聲到達時刻之差，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定位。

2 傳感器單元硬件設計

2.1 微處理器主控電路設計

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

STM32F103ZET6 主控電路具有較強的數據處理能力及豐富的外圍設備接口，負責接收火箭彈炸聲信號，獲取北斗/GPS 導航授時模塊的時間信息、通過4G 網絡接收控制指令、通過4G 網絡傳送炸聲到達時刻和炸聲聲強等數據。

2.2 傳聲器信號處理電路設計

傳聲器信號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3 000 m 的烽火HD-18C 拾音器。HD-18C 拾音器內部采用DSP 數字降噪，具有AGC 自動增益控制、ALC 自動電平控制等功能。

圖2 傳聲器信號處理電路

HD-18C 拾音器工作的動態范圍為0～65 dB，具有抗雷擊保護、電源極性反轉保護以及靜電保護等功能。

聲音信號調理電路選用美國TI 公司的INA128,它是一種低電壓通用型儀表放大器，可以通過一個外接電阻把增益設定為1～10 000，電源工作電壓為±2.25 V。INA128 內部由兩級放大器串聯構成，第一級由兩個同相放大器構成，為對稱結構，輸入信號分別加在A1、A2 的同項輸入端。第一級具有很高的共模干擾抑制能力和高輸入阻抗。

第二級為差動放大器，它不僅有效地降低了共模干擾，而且將雙端輸入方式轉換成單端輸出方式，可以有效地適應對地負載的需要。

INA128的內部噪聲很小，當G≥100時，0.1～10 Hz的低頻噪聲產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，在實際應用時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 在實際應用中可以通過外接一個獨立的外部電阻RG調整其放大倍數，電路放大倍數為G=1+50 kΩ/RG。輸出電壓Vo經R7、R8分壓后產生Vo1送電壓比較器LM328。

當有炸聲信號時，Vo1接入LM328 電壓比較器同相端，LM328 的2 腳的電壓可通過可調電阻R9進行調節。根據比較器的工作原理，當V+＞V-時,LM328 的1 腳就會輸出高電平并送至STM32F103ZET6 的PB3 端觸發中斷，執行中斷處理子程序讀取北斗/GPS 導航授時模塊的時間信息。此外炸聲信號接入STM32F103ZET6 的PC0 端，通過AD 采 樣 可獲得炸聲的聲強相關數據，為炸點定位提供聲強信息。

2.3 北斗/GPS導航授時電路設計

北斗/GPS 導航授時模塊選用芯星通公司UM220-III N，該模塊采用BD2/GPS 雙系統導航、授時，廣泛地用于車輛調度與監控、油田采油機監測、電力授時等。UM220 支持單系統獨立定位和多系統聯合定位。UM220-III N 擁有UART、1PPS 等多種接口，具有可靠性、安全性及授時精度高等特點。UM220-III N工作頻率范圍為1 559～1 577 MHz，1PPS精度可達20 ns，可以滿足火箭彈炸聲到達時刻數據測量精度的要求。UM220 通過串口與STM32F103 ZET6 的串口UART1 進行定位授時信息的通信。STM32F103ZET6 與導航模塊接口電路如圖3 所示。

圖3 STM32F103ZET6與導航模塊接口電路

2.4 4G無線傳輸電路設計

4G 模塊選用功耗超低的中興ME3760模塊，該模塊支持SIM 卡業務、數據傳輸功能，具有LTE 雙模多頻等優點。由于ME3760 和STM32F103ZET6 內部都集成有USB2.0 接口，可直接用于4G 模塊ME3760 和主控模塊之間進行高速數據傳輸。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 傳感器單元軟件設計

傳感器單元軟件流程圖如圖5 所示。STM32F103ZET6 首先進行上電初始化，然后通過對4G 模塊進行網絡鏈接檢驗，判斷是否正確建立網絡，若成功建立鏈接后則進入監測狀態，否則重新進行網絡鏈接檢驗。當網絡正確連接后，判斷是否有炸聲信號輸入，當PB3 產生中斷時，說明有炸聲信號輸入，此時STM32F103ZET6 通過串口讀取北斗/GPS導航授時模塊時間信息，對時間信息進行編碼，然后通過USB 接口將數據傳送給4G 通信模塊ME3760，最后通過網絡傳送給上位機。

圖5 傳感器單元軟件流程圖

4 實驗測試

該節對設計的系統進行實驗測試。測試時采用高音揚聲器代替爆炸聲源進行了測試。為驗證實驗的可靠性和精度，判斷炸聲是否觸發系統讀取時間信息，選取了不同聲強信號分別進行50 次實驗并對比分析，測試結果如表1 所示。實驗表明，系統對大于40 dB 的聲強能夠有效地進行識別和讀取時間信息，完成聲程差數據采集。

表1 炸聲識別率實驗記錄表

5 結論

文中設計了基于STM32F103ZET6的人工增雨火箭彈聲程差采集系統。系統通過STM32F103ZET6檢測人工增雨火箭彈爆炸聲音，讀取北斗/GPS 導航授時模塊時間信息，獲得炸聲到達時刻并傳送給上位機，通過上位機計算得出人工增雨火箭彈爆炸聲程差，為炸點定位提供數據支持。實驗表明，該方法可精確有效地測量人工增雨火箭彈爆炸聲程差，系統對大于40 dB 的炸聲識別率達到95%以上。