一种炮弹爆点定位系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种炮弹爆点定位系统，定位系统包括接收器单元、环境参数采集单元、中央处理单元和无线通信单元；接收器单元包括以四点等距阵列布局四个的接收器，接收器和环境参数采集单元都连接到中央处理单元，中央处理单元通过无线通信单元连接到上位机单元。本实用新型能够实现炮弹爆点的准确定位，提高人影作业的安全性，减小危险系数，提升作业效果。
【专利说明】
-种炮弹爆点定位系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及声学定位技术领域，具体为一种炮弹爆点定位系统。
【背景技术】
[0002] 高炮系统和火箭系统是全国各地广泛使用的人工影响天气作业装置，其主要用途 是在出现冰富天气威胁时大量发射高爆炮弹轰击富云，消除或减弱冰富灾害;在干旱或雾 靈天气时择机发射舰化银增加降水。
[0003] 在实际作业中，受作业弹药可靠性影响，哑弹的威胁时有出现，同时火箭运行轨道 不稳定也影响作业效果的评估。哑弹的威胁主要体现在=方面:一是弹头未爆碎，下落对地 面人员和设施形成危险;二是未爆的弹头或火箭被普通人员捡拾发生危险;=是哑弹未出 膛形成危险。火箭运行轨道不稳定不仅影响作业效果，同时近地爆炸也有很大的威胁，需要 对火箭的质量进行跟踪监控。
[0004] 目前人工影响天气作业点普遍缺少炮击点的定位或火控装置，本系统针对运一需 求，设计应用于人工影响天气作业的爆破点定位、火箭运行监控的追踪定位系统。 【实用新型内容】
[0005] 针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种能够实现炮弹爆点的准确定位， 且成本低，耗能小的炮弹爆点定位系统，有助于减小哑弹造成的威胁。技术方案如下：
[0006] -种炮弹爆点定位系统，包括接收器单元、环境参数采集单元、中央处理单元和无 线通信单元;所述接收器单元包括=个或=个的接收器，所述接收器包括声波传声器，声波 传声器通过前置处理单元连接到中央处理单元;环境参数采集单元连接到中央处理单元， 中央处理单元通过无线通信单元连接到上位机单元。
[0007] 进一步的，所述接收器单元包括4个接收器，所述4个接收器W四点等距阵列布局。 [000引更近一步的，所述接收器还包括倒相箱，所述倒相箱的前壁设有传声口和倒相口， 传声口和倒相口在箱内通过肘型导管连通;所述声波传声器设置在传声口处，其包括扩口 的振动膜，振动膜底部连接有音圈；音圈套装在永磁体上，并通过低噪阻抗转换器连接到所 述前置处理单元。
[0009] 更近一步的，所述环境参数采集单元包括溫度传感器、风向传感器和风速传感器； 溫度传感器连接到所述中央处理单元，风向传感器通过整形单元连接到所述中央处理单 元，风速传感器依次通过缓冲器和光电隔离单元连接到所述中央处理单元。
[0010] 更近一步的，所述前置处理单元包括A/D转换单元，A/D转换单元包括AD73360忍 片，AD73360忍片的VINP引脚依次通过电阻Rl和电容Cl连接到信号输入端;AD73360忍片的 引脚依次通过电阻R2和电容C2接地，电阻R2的输入端还连接到电阻Rl的输出端； AD73360忍片的REFOUT引脚通过电阻R3接地，同时连接到运算放大器OPI的信号输入端，运 算放大器OPI的信号输出端通过电容C3接地，同时连接到电阻R2的输出端。
[0011] 本实用新型的有益效果是：
[0012] I)本实用新型有利于实现炮弹爆点的准确定位，有助于及时发现和指导排除哑弹 危险，提高人影作业的安全性，同时能够评估记录弹药质量，减小危险系数，提升作业效果；
[0013] 2)本实用新型定位系统的接收器采用四点等距阵列布局，既能够减少硬件成本， 又能充分利用后台处理时间的冗余，实现了准确简单定位的目标；
[0014] 3)本实用新型定位系统采用的动圈式传声器具有抗声波冲击能力强的特性，采用 带倒相口的倒相箱，可有效加强声音信号的能量；
[001引4)本实用新型功能完善，成本低，耗能小读装简单，适用于户夕悚集。
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型炮弹爆点定位系统的结构框图。
[0017] 图2为本实用新型声波传声器的结构示意图。
[0018] 图3为本实用新型接收器的内部结构示意图。
[0019] 图4为本实用新型接收器的四点等距阵列布局及四点等距阵列S维坐标系示意 图。
[0020] 图5为本实用新型A/D转换单元的电路原理图。
[0021 ]图6为本实用新型环境参数采集单元的结构框图。
[0022] 图7为高炮爆炸声的波形图。
[0023] 图8为本实用新型定位计算流程图。
[0024] 图中：1-倒相箱；2-传声口；3-倒相口；4-声波传声器;41-振动膜;42-音圈；43-永 磁体;44-低噪阻抗转换器;5-肘型导管。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。
[0026] 首先，本实施例的炮弹爆点定位系统的工作原理如下：由于炮弹爆破点的距离远 (火箭炮4千米，高炮6.8千米左右），能够传回来的声波的能量小，不易采集，为了保证能够 采集到有足够能量的声信号，本系统针对炮弹爆炸的亚音信号进行采集分析。前端由四个 基于动圈式的低音卿趴信号亚音信号采集器组成的四点等距阵列接收器单元来采集炮弹 爆炸的亚音信号，然后经过一级放大，滤波，二级放大，再由高速AD采集转换成数字信号;然 后通过授时模块，为每一段数字声信号授予时间标识；由DSP忍片接收数字信号，并初步处 理，鉴别，并保存数据，传入中央MCU;并通过通信模块传送给上位机;通过波谱分析和小波 分析对信号进行有效的处理分析，实现了信号波形的转换，干扰及噪声剔除，获得真实的 爆炸声信号取波形特征。系统根据运些真实的爆炸声信号按一定的鉴别规则提取出炸弹爆 炸声波传播到声学传感器的时间差，按照合理设计的数学模型计算出炮弹爆炸点的坐标。 既可W准确定位出炮弹爆炸的具体位置。
[0027] 本实施例的炮弹爆点定位系统结构如图1所示，包括接收器单元、环境参数采集单 元、中央处理单元和无线通信单元;所述接收器单元包括=个W上的接收器，所述接收器包 括声波传声器，声波传声器通过前置处理单元连接到中央处理单元;环境参数采集单元连 接到中央处理单元，中央处理单元通过无线通信单元连接到上位机单元。
[0028] 本实施例的声波传声器为基于动圈式的低音卿趴信号亚音信号传声器，用于将声 信号转换为电信号。通过对炮弹爆破声信号频谱图的分析，能够采集到的信号能量集中在 100-2(K)hz。所W传声器的设计应该针对亚音低频信号。市场上较为常用的是电容式驻极体 话筒，但是该话筒较为敏感，在火炮出膛产生的声波和气流下，容易损坏。所W本实施例采 用抗声波冲击能力强的动圈式传声器作为声波传声器4。声波传声器4结构如图2所示，包括 扩口的振动膜41，振动膜41底部连接有音圈42;音圈42套装在永磁体43上，并通过低噪阻抗 转换器44连接到所述前置处理单元。
[0029] 但是该声波传声器4采集能力较弱，需要加强声信号能量的集中。本实施例从两个 方面加强声信号能量的集中：一是从音箱的设计，利用低音动圈式卿趴的原理，设计一个带 倒相口的曲式音箱，同一音频信号进行180度的转向作用于传声器的后端增强音频信号的 采集。结构如图3所示，接收器还包括倒相箱1，所述倒相箱1的前壁设有传声口巧日倒相口 3， 传声口 2和倒相口 3在箱内通过肘型导管5连通;所述声波传声器4设置在传声口 2处。二是在 声波传声器4上增加一个信号增强区，在满足阻抗匹配的条件下增加音圈的线圈粗度、线圈 圈数来增加信号强度，增加信号强度。
[0030] 国内外常见的被动声定位系统从传感器的布局和个数可分为S元阵列、四元阵列 或五元阵列等。3个声传感器组成的平面阵列便可W对目标声源进行定位，其结构简单，但 是缺点在于必须已知目标声源的运动速度才可W确定目标的位置，而且为了定位必须进行 大量的矢量运算，运对硬件实现提出了很高的要求。而五元阵列虽能够减少运算量，提高定 位速度，但又增加了硬件成本。考虑到本系统对算法的处理速度并没有太高的要求，上位机 有足够的时间去处理信息，只需要达到简单定位和快速定位的要求，故本实施列采用由4个 接收器构成的四点等距阵列，既能够减少硬件成本，又能充分利用后台处理时间的冗余，实 现了准确简单定位的目标。接收器的四点等距阵列布局示意图如图4所示，图中Mo、Mi、M2、M3 分别表示四个接收器的位置。
[0031] 前端传声器将爆炸声信号转换成了电信号，但是电信号只有微伏级别，远不够后 端采样处理，并且还夹带噪声。所W前置处理子系统主要作用有采集声信号，一级低噪高倍 直禪，二级放大，滤波去噪，W及A/D转换。
[0032] 基于时延估计的声测无源定位系统对多通道采集模块的一致性要求比较高，系统 选用的AD忍片为ADI公司生产的可编程AD73360,转换精度为16位，含有6个串行模拟输入 端，群延迟低，通道采样率可控，支持的最大采样率为64KHZ，可W方便的与各种高低速微控 制器连接。AD73360的特点是有六个信号调理输入端，每个输入端可W单独编程配置，选择 单端信号输入或者差分信号输入。如果需要的话，实际输入信号也可W在内部被反相。输入 到AD73360的模拟信号可W是直流禪合方式，此时输入信号的直流偏置电平由AD73360内部 参考电平(REFOUT)提供。系统中信号调理器输出的信号为单端信号，因此AD73360信号预处 理端采用单端输入交流禪合设计。A/D转换单元的电路原理图如图5所示，AD73360忍片的 VINP引脚依次通过电阻Rl和电容Cl连接到信号输入端;AD73360忍片的Vir^N引脚依次通过 电阻R2和电容C2接地，电阻R2的输入端还连接到电阻Rl的输出端;AD73360忍片的REFOUT引 脚通过电阻R3接地，同时连接到运算放大器OPI的信号输入端，运算放大器OPI的信号输出 端通过电容C3接地，同时连接到电阻R2的输出端。其中Cl起隔直作用，R1、C2为一阶低通抗 混叠滤波器，R2的作用是把参考信号REFOUT引入到输入端，W保证在没有输入信号的时候 VINP和VI顺的电平保持一致，C3作用是滤除纹波，R3为下拉电阻，C4为旁路电容。为提高 REFOUT输出端带负载能力，在REFOUT送到六个通道前，采用运算放大器OPl进行隔离，从而 提高REFOUT输出端口抗干扰能力。
[0033] 除此之外，为了消除采集时间不同步带来的误差，还要为数字信号授时(打上时间 标记），本实施例通过无线通信单元向中央处理器发送时间标识，实现同步授时的功能。数 字信号送至中央处理器的同时会在后面储存一个时间标签。该标签通过无线通信模块发送 给中央处理单元的时间为基准，用3个字节记录时间，单位是10微妙，比如时间标识是 1177750,就是11.7775秒采集的。通过时间同步，就可W消除采集时间不一样带来的时间误 差了。
[0034] 中央处理单元:单片机的采样率设定一定要保证能采集到声源目标发出的全部频 率的声音信号及提供较高的时间分辨率。根据奈奎斯特采样定律，需要设定的采样率必须 达到所目标信号的最高频率的两倍W上，才能保证目标信息的完整性。按频率2(K)hz，单片 机采样频率要大于4(K)hz，对于用来采集目标信号完整的信息结结有余。而且采样率越高， 时间分辨率就越高，也就是系统可分辨的相位差越小，运就给定位精度的提高做好了准备。 然而采样率的设定必须根据数据在节点样机中的传输的速率，单片机的处理速度，DSP的计 算速率来确定。经过测算分析，满足单片机处理速度的条件下，系统的采样率可设定为10K。 [003引在降低成本的同时保证效果，本实施例采用美国德州仪器（TI )MSP430单片， MSP430系列单片机是一个16位的单片机，它能在25M化晶体的驱动下，实现40ns的指令周 期，16位的数据宽度、4化S的指令周期W及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合， 处理IOK的采样率结结有余。MSP430单片机因为其在降低忍片的电源电压和灵活而可控的 运行时钟方面都有其独到之处，还有超低的功耗优势。
[0036] 无线通信子系统将前置处理器经过初步处理的信号数据，实时地传送到中屯、主机 的进行信号处理和计算评估。同时也将上位机的控制信息和时间标识发送给前置处理单 元。实现了上位机和下位机的通信。无线通信子系统使用2.4G化微波传输频率，传输速率可 达llMbit/s。
[0037] 由于环境溫度、风速和风向运些参数对声速有较大影响，需要进行补偿，故需要采 集环境参数。本实施例的环境参数采集单元包括溫度传感器、风向传感器和风速传感器;结 构如图6所示，溫度传感器连接到所述中央处理单元，风向传感器通过整形单元连接到所述 中央处理单元，风速传感器依次通过缓冲器和光电隔离单元连接到所述中央处理单元。
[0038] 其中，风速传感器采用光电式传感器，输出信号为脉冲信号，风速与其频率成正 比。脉冲信号经光电隔离、整形，由单片机测量其频率，并转换成环境风速。风向传感器采用 格雷码盘光电式传感器，输出7位数字量为格雷码，格雷码值与风向传感器叶片有一一对应 的关系，风向传感器输出的数字量转换成风向与基准方向间的夹角。
[0039] 上位机处理传回来的数字爆破信号，提取出时间差，综合阵列间距，补偿后的声 速，最后确定爆点位置。具体处理和计算过程如图8所示，具体步骤如下：
[0040] 1)对4个接收器Mo、化、M2、M3采集到的数字信号授予时间标识，并进行平滑处理。
[0041] 炮弹爆破产生的声信号规律性较强，有明显的衰减波形，如图7所示，每次爆破会 对应一个明显的波峰，要找到波峰，应该先平滑曲线，使波峰更好的突显出来，W便准确提 取波峰对应的时间。此外，还应该除去信号中能量较小的突变分量。平滑处理步骤如下：
[0042] i .用下述差分方程对数字信号进行带通滤波；
[0043]
[0044] 其中，x(n)为输入信号，y(n)为输出信号，n表示当前为第n帖信号；[0045] ii.经滤波后，波型变得平缓，第二步采用1000项滑动平均，方程可表示为：
[0046]
[0047]
[0048] iii.滑动平均可W看作是对信号的平滑处理，处理后的信号基本上没有较大的突 变，最后再进行能景归一化，处理方法为：
[0049]
[0050] 取能量最大的信号强度为1，其他信号能量变为占最大值的百分比。归一化的目的 主要是去掉信号中能量较小的波峰，是炸弹爆炸所产生的波峰更加明显，更容易提取时间。 [0化1 ] WMq为主接收器，则接收器Mq和Mi(i = 1，2，3)采集的信号经平滑处理后在时域上 分别表不为：
[0052] xo(t) = aos(t)+eo(t)
[0053] yi(t)=￡iiS(t-Ti)+ei(t) ,i = l ,2,3;
[0054] 其中，a日和ai为爆炸声传播到接收器的衰减因子，s(t)为待检测信号，Tl为声信号 从爆点到达接收器的时间，eo(t)和ei(t)为不相干的高斯白噪声。
[00对 2)计算声信号分别到达接收器Mo和Mi时间的差值d = T0-Ti:
[0056]上述xo(t)和yi(t)的互相关函数表示为：
[0化7]
[0化引其中，Goi(f)为信号的互功率谱，晰(/)是频域上的加权函数，取经加权 后，上述互相关函数表示为：
[0化9] R〇i(d)=aoai5(t-d),
[0060] 当t =加寸，对应于Roi(d)的峰值，即对应于图7中的峰值检测，则声信号到达主接收 器Mo的时间TO与到达其它接收器Mi的时间Ti的差值为；
[0061] d = TQ-Ti = argmaxR〇i(d) 〇
[0062] 3)计算环境参数补偿后的爆炸声的声速Vs:环境参数补偿后的爆炸声的声速的计 算方法如下：
[0063] 其中，声波在静止的空气中的传播速度C与摄氏溫度T间的关系为：
[0064]
[0065] 在有风的情况下，若风向与爆炸声源到采集点的方向的夹角为0，风速为V，则此时 爆炸声的实际声速Vs = C+Vcos0，即
[0066]
[0067] 4)计算爆点定位：
[0068] a)计算炮弹爆点到接收主器Mo的传播距离与到达其他接收器Mi的传播距离的差值 Ai:
[0069] Ai = Vsd,i = l,2,3；
[0070] b)根据4个接收器的四点等距阵列布局建立四点等距阵列S维坐标系，如图4所 示。则主接收器Mo的坐标(XO，yo，ZO)和接收器Mi的坐标(Xi，yi，Z i)关于炮弹爆点S (X，y，Z)的 双曲面方程为：
[0071]
[00巧其中，接收器Mi到主接收器Mo的距离ri为：
[0073]
[0074] C)由上述双曲面方程构成的=元线性联立方程，求解出炮弹爆点S的坐标(x，y, Z)。由于该式是一个=元线性联立方程，不会出现非线性求解出现的定位模糊问题，求解过 程简单。
【主权项】
1. 一种炮弹爆点定位系统，其特征在于，包括接收器单元、环境参数采集单元、中央处 理单元和无线通信单元;所述接收器单元包括三个或三个以上的接收器，所述接收器包括 声波传声器，声波传声器通过前置处理单元连接到中央处理单元;环境参数采集单元连接 到中央处理单元，中央处理单元通过无线通信单元连接到上位机单元。2. 根据权利要求1所述的炮弹爆点定位系统，其特征在于，所述接收器单元包括4个接 收器，所述4个接收器以四点等距阵列布局。3. 根据权利要求1或2所述的炮弹爆点定位系统，其特征在于，所述接收器还包括倒相 箱（1)，所述倒相箱（1)的前壁设有传声口（2)和倒相口（3)，传声口（2)和倒相口（3)在箱内 通过肘型导管（5)连通；所述声波传声器（4)设置在传声口（2)处，其包括扩口的振动膜 (41)，振动膜(41)底部连接有音圈（42);音圈（42)套装在永磁体(43)上，并通过低噪阻抗转 换器(44)连接到所述前置处理单元。4. 根据权利要求1所述的炮弹爆点定位系统，其特征在于，所述环境参数采集单元包括 温度传感器、风向传感器和风速传感器;温度传感器连接到所述中央处理单元，风向传感器 通过整形单元连接到所述中央处理单元，风速传感器依次通过缓冲器和光电隔离单元连接 到所述中央处理单元。5. 根据权利要求1所述的炮弹爆点定位系统，其特征在于，所述前置处理单元包括A/D 转换单元，A/D转换单元包括AD73360芯片，AD73360芯片的VINP引脚依次通过电阻R1和电容 C1连接到信号输入端;AD73360芯片的VINN引脚依次通过电阻R2和电容C2接地，电阻R2的输 入端还连接到电阻R1的输出端;AD73360芯片的REFOUT引脚通过电阻R3接地，同时连接到运 算放大器OPI的信号输入端，运算放大器OPI的信号输出端通过电容C3接地，同时连接到电 阻R2的输出端。
【文档编号】G01S5/22GK205720643SQ201620501860
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】文斌, 任斌, 邱乐, 贺南, 陈乐
【申请人】成都信息工程大学