专利名称：用于消歧枪械位置的系统和方法
技术领域：
本发明涉及法律实施技术和安全，更具体地说，涉及确定超音速射弹运行的起点 及方向的方法和系统。甚至在枪械和传感器之间的距离很大，并在没有接收到信号或仅接 收到来自枪口声音的微弱信号时，这些方法和系统都能够确定和消歧(disambiguate)枪 械位置。
背景技术：
通过测量与射弹所产生的冲击波相关联的参数可确定超音速射弹如子弹和炮弹 的一般方向和弹道的系统和方法已为人所知。在美国专利No. 5，241，518中说明的一个这 种系统包含至少三个间隔开的传感器，每个传感器结合有布置成平面的三个声换能器。传 感器对冲击波作出响应产生信号，而冲击波则与其起点的方位角和仰角有关。冲击波仅有 的测量不能确定传感器和冲击波起点之间的距离。距离信息通常是从枪口火焰或枪口爆炸 获得的。枪械相对于传感器位置的方位角和仰角通常是通过测量每个传感器上枪口信号 和冲击波信号的到达时间(TOA)信息来确定的。每个传感器在不同时间碰撞到这些信号， 并对枪口和冲击波压力作出响应产生信号。对来自各传感器的信号进行处理，可确定从传 感器到枪口和冲击波起点的方向(方位角和仰角)，继而射弹的弹道就可确定。常规系统采用扩音器，它们可间隔得相对很近(例如相隔1米)或分散很开(例 如安装在汽车上或在战场上由战士携带)，并在它们各自的位置上全方向地测量枪口和冲 击波压力。但是，除非传感器相对分散很开和/或弹道位于天线之内，否则要获得精确的冲 击波仅有的解所需的定时精度非常高，并且需要有特殊的技术。大天线尺寸例如在车载系统中可能是个主要的缺点。此外，仅有边际时间分辨率 的系统会产生歧义解，其中对于两个镜像对称的枪械位置，在给定传感器组上的冲击波的 到达时间信息几乎相同。常规算法要求至少4次冲击波和枪口检测，以使4 X 4矩阵可以被转化为映射冲击 波TOA上的平面波。在冲击和枪口 TOA确定中的小误差会在射程估算中产生相当大的误 差。而且，常规算法假设沿子弹弹道为恒定的子弹速度，这对于从大于约300米的距离处发 射的长射程射击给出了不精确的射程估算。因此，需要有能够精确估算远枪械射程的快速收敛算法。也需要消歧枪械方向的 冲击波仅有的解。还需要提取可能被与枪口爆炸无关的声特征标记而模糊不清的枪口信号。
发明内 容本发明通过在各种实施例中提供用于对于长射程射击，特别是当枪口信号或是很 弱或是在数量不够的检测通道中检测时，估算枪械射程的方法和系统，来解决现有技术中 的缺陷。所公开的方法和系统还改进了冲击波仅有的枪械弹道解的消歧，通过在优化过程 中包含弱和/或不可靠检测的枪口声音实现了附加改进。按照本发明的一个方面，一种从冲击波仅有的信号中消歧射弹弹道的方法包含以 下步骤在形成天线的5个或更多个间隔开的声传感器上测量冲击波仅有信号的至少初始 部分；估算用于声传感器的定时误差分布；用大于所估算的定时误差分布的时间分辨率， 从冲击波仅有信号的所测量初始部分中确定传感器对的到达时间差(TDOA)；以及基于用 于消歧的所定义置信度和用于声传感器TDOA的残差值，选择所消歧的射弹弹道。按照本发明的另一方面，一种从冲击波仅有的信号中消歧射弹弹道的方法包含以 下步骤在形成天线的5个或更多个间隔开的声传感器上测量冲击波仅有的信号的至少初 始部分；从冲击波仅有信号的所测量初始部分中确定传感器对的到达时间差(TDOA)；对于 预定义的代数，对初始染色体应用遗传算法，所述初始染色体包括射弹弹道假设；对于从遗 传算法中用染色体获得的解计算残差；在具有最小残差的解及其歧义备选解上执行梯度搜 索，且如果具有最小残差的解与其歧义备选解之比大于预定义值，则指定具有最小残差的 解作为消歧的射弹弹道。按照本发明的又一方面，在通过检测冲击波和枪口爆炸估算枪械射程的方法中， 测量冲击波仅有的信号以及枪口爆炸信号。从所测量的冲击波和枪口爆炸信号中估算初始 枪械射程，假设一个初始子弹速度和子弹牵引系数。迭代计算沿子弹弹道的瞬间子弹速度， 以获得更新的枪械射程。枪口爆炸检测通道数通常小于冲击波检测通道数。有利的实施例可包含一个或多个以下特征。计算冲击波仅有的信号和枪口爆炸信 号之间的到达时间差(TDOA)以及到达角，以确定初始枪械射程。可执行一定数量的迭代， 或者如果在连续确定的更新枪械射程之间的关系满足收敛准则，则更新的枪械射程将被认 为是最终枪械射程。例如，收敛准则可选择为，在连续确定的更新枪械射程之间的差或在连 续确定的更新枪械射程之间的百分比改变小于预定值。为了获得真解，所计算的子弹速度 设置为总是至少为声速。要检查解的一致性。例如，如果确定子弹弹道角和到达角大于预 定值，则更新的枪械射程被认为无效。即使所计算的枪械射程被确定为无效，通过应用遗传算法(GA)仍然可获得一个 解。例如，可定义一个具有预定数量个体的GA初始种群，其中每个个体由三元组表示，它包 含假设的枪械射程、子弹弹道的脱靶方位角(MA)和脱靶仰角(ME)。对预定义的代数执行 GA，并对每一代中的个体计算残差。在每一代中具有最小残差的解被选为不变异而存活的 个体。具有最小残差的解被选为更新的枪械射程。这个解可以更精算，即对一代中的每个 三元组执行预定数量的迭代，以计算修正的枪械射程，其中用修正的枪械射程计算每一代 中个体的残差。GA包含交叉和变异算子。交叉算子在来自一代中种群的两个个体之间至少交换脱 靶方位角和脱靶仰角之一，而变异算子包括区段(field)变异(用随机选择的值代替三元组的值)、增量变异(在三元组的所有区段中引发小变异)和无变异(保持一代中的个体不 变)。按照 本发明的又一方面，用于从冲击波信号和从有限数量的枪口爆炸信号中消歧 射弹弹道的方法包含在5个或更多个间隔开的声传感器上测量冲击波仅有的信号、在最 多4个传感器上测量枪口爆炸信号、以及从冲击波仅有的信号中确定传感器对的到达时间 差(TDOA)信息。该方法还包含用初始种群对预定义的代数执行遗传算法，初始种群包含 预定数量的个体，每个个体用四元组表示，所述四元组包含枪械方位角、枪械仰角、脱靶方 位角以及脱靶仰角；以及计算每一代中个体的残差，残差包含TDOA冲击波和枪口爆炸信号 组合的最小二乘方拟合。如果具有最小残差的解与其歧义备选解之比大于预定义值，例如 至少为2的值，则具有最小计算残差的解被指定为消歧的射弹弹道。按照本发明的另一方面，用于在存在冲击波信号的情况下从枪口波提取信号的方 法包含定义一个时间窗，其宽度对应于枪口波穿过传感器阵列所需的时间；以及检测冲 击波信号。检测冲击波信号之后，使窗在时间上前进，并作为前进时间的函数测量在窗中接 收的总能量。所测量的总能量的最大值与枪口信号相关联。为防止伪信号被解释为冲击波波形，如果在预定频带上，例如在大约700Hz和 IOkHz之间的频率上，所测量的冲击波波形的声能量小于预定阈值，则射弹弹道可因为是错 误的而被消除。备选或附加的，如果所测量的冲击波波形具有正值的时间间隔小于最小时 间或大于最大时间，例如小于约70μ s或大于约300 μ s，则射弹弹道可因为是错误的而被 消除。在有利的实施例中，可通过在窗上积分所测量的能量来确定总能量，优选忽略检 测信号中由冲击波回声所引起的部分。有利的是，峰值信号值可以在产生最大总能量的窗 中确定，而且如果峰值信号值比窗中所测量的总能量大预定义的比例因子，则峰值信号值 可以被识别为与枪口信号有关。本发明的实施例可包含一个或多个以下特征。天线和/或声传感器的定时误差分 布可与天线传感器的增益变化、采样变化以及传感器位置变化有关。用于消歧的置信度取 决于天线的尺寸，因而较小的天线要求有较大的测量精确度。如果存在两个歧义解，则基于 两个歧义解的残差比来选择所消歧的射弹弹道。在其它有利的实施例中，传感器对的到达时间差(TDOA)可这样确定指定首先碰 撞到冲击波的传感器为参考传感器，并在参考传感器上冲击波仅有信号的例如初始部分的 振幅越过阈值时设置定时电路的第一锁存器。第一锁存器激活用于每个其它传感器的开始 计数器，在每个其它传感器中的计数器运行，直到对应的传感器碰撞到冲击波为止。当其 它传感器之一碰撞到例如冲击波仅有信号的初始部分时，它设置用于该传感器的第二锁存 器，其停止用于该传感器的开始计数器。其它传感器相对于参考传感器的TDOA值然后被记 录下来。本发明另外的特征和优点从对优选实施例的以下说明以及从权利要求书中便可
一目了然。
通过以下说明性说明书并参阅附图，对本发明的这些和其它特征和优点就可有更充分的理解，附图中元件用相同的参考符号标记，且不一定按比例。图1示出与天线相交的马赫锥的截面示意图；图2示出具有7个全方向 声传感器的示范传感器阵列示意图；图3示出在冲击波仅有的弹道确定中固有的歧义性示意图；图4示出到达时间差测量的概率密度示意图，用于确定马赫锥的曲率；图5示出在枪械弹道之间正确消歧的概率示意图；图6示出校正过程的示意图；图7示出在枪械弹道之间正确消歧所用的遗传算法的流程；图8示出用于区别非冲击波信号的流程；图9示出冲击波到达时间(TOA)模型的示意图；图10示出用于射程估算的示意流程图；以及图11示出用于射程估算的遗传算法的示意流程图。
具体实施例方式如以上在发明内容中所述，本发明在各种实施例中提供了用于枪械射程估算和射 弹弹道消歧的方法和系统。当对精确解所需的不足数量的参数进行检测时，或当这些参数 不能被可靠检测时，这些系统和方法特别有用和有利。超声射弹弹道完全从分布在称为天线的“小”测量容积上的几个间隔很近的传感 器所测量的射弹冲击波到达时间来估算。如果传感器的间距为2米或更少，则测量容积被 认为小。一旦射弹弹道被识别出，枪械的位置就已知，但沿弹道返回的距离除外。如果天线 也获得了枪口爆炸声的到达时间，则该距离就可求出。但枪口爆炸并不总是可检测，因此对 于确定弹道，精确的冲击波仅有的解是必不可少的。现参阅图1，冲击波表面被认为是一个扩展的锥形表面，其轴线与子弹弹道一致。 冲击波表面也称为马赫锥。为获得冲击波仅有的解，要从在5个或更多个天线传感器上测 量的到达时间中确定三个特征到达角、曲率半径、以及扩展锥形表面曲率半径的空间梯度。首先到达天线的锥形表面发生器的到达角相对于在天线上的到达角确定了子弹 弹道的两个可能相对角(常称为“歧义”角)。以下将参阅图3对“歧义”角作更详细说明。 天线上锥形表面的曲率半径确定了到弹道的距离和方向。沿表面发生器路径的曲率半径梯 度确定了子弹向哪个方向运动，从而去除了在两个可能方向之间的“歧义性”。精确确定这 三个冲击波特征并在两个可能“歧义”的弹道角之间作正确判定要求有非常准确的测量。例 如，随机误差不应大于大约1 μ s,以在两个备选的枪械视线角之间作正确判定。所需精确度可以通过考虑图1所示的冲击波传播特性来估算。现也参阅图2，天 线20包含N个传感器(N = 7)，能够确定前进锥形冲击波的到达时间。由于进来的子弹弹 道实质上可预期源于任何地方，天线振子23到28可有利地均勻分布在球形表面上的位置 C (CXJ, Cyj，Czj)，一个振子22位于中心(CxQ，Cy0, CJ，这样就呈现均勻的传感器孔径，与到达 角无关。指定为参考传感器的第一传感器检测到前进的锥形表面的时间瞬间以、表示。其 它传感器在以、表示的随后时间检测到前进的锥形表面。通过将每个时间差乘以声音的 局部速度，就可获得前进的锥形表面方向上的声传播距离，即Cli = c · (ti-t。)。如果没有测量误差，则穿过参考传感器的锥形表面也可由其它(N-I)传感器来确定，其中N个点的三维 坐标理想上确定冲击波锥的所有参数。但如上所述，在到达时间测量和传感器坐标中的误 差可导致用于冲击波锥的错误参数，继而也导致射弹弹道的错误参数。以下将说明要对两 个歧义弹道角作正确判定所需的到达时间差精度。该 系统有利地结合了一些特征，以确保它不会将非弹道学信号如汽车噪声、振动、 风噪声和EMI误认为枪械信号。例如，可将传感器杆安装在汽车上(未示出)，在啮合接点 处有弹性材料套管以防止卡嗒作响。传感器可以附到有弹性材料联结器的脊骨(spine)末 端，弹性材料联结器具有大约IHz的低频谐振，以使它们与脊骨振动隔离。传感器脊骨也 可附到含模拟电子器件的共用集线器上，集线器也可附到具有弹性材料防震座的传感器杆 上，以使其与杆振动隔离。此外，可采用以下判定算法来滤除缺少在冲击波导出信号中通常发现的特征标记 的信号。所有值均被参数化，即相关，并可在外部调谐。所列的值仅为说明而提供。现参阅图8，过程800确定所检测信号是否源自冲击波。过程800在步骤802开 始，并在步骤804，检查信号是不是一个足够响的事件，以计数为一次冲击，例如峰值信号值 是否超过给定的参数化阈值，例如500。如果是这种情况，过程800继续进行步骤806，并检 查从零到峰值信号值是否有明显的瞬变，确保到该峰值的瞬变之前没有有效幅度例如1/16 峰值信号值的另一信号。如果是这种情况，过程800继续进行步骤808，并检查在冲击波最小值和最大值之 间的时间是否有足够大的值，例如200-400μ S。如果是这种情况，过程800继续进行步骤 810，并检查最小值和最大值峰值信号振幅的幅度是否接近，例如在彼此的35%之内。如 果是这种情况，过程800继续进行步骤812，并使用与步骤806基本相同的准则检查从最小 峰值信号到零的压力峰值瞬变是否明显。如果是这种情况，过程800继续进行步骤814，并 检查在最大信号值和过零之间以及在过零和最小信号值之间的时间是否可比，例如在大约 180 μ s内。如果所有步骤都产生肯定的应答，则过程800判定该信号可能是冲击波，并在步 骤816对信号进行处理。相反，如果6个判定步骤之一是否定回答，则所检测的信号不是源 自冲击波，步骤818。回过来参阅图1，射弹弹道被假设为与χ轴一致。马赫角由θ = arcsin(l/M)给 出，式中M为马赫数，定义为射弹速度V除以声速c。L指天线的特征长度。天线20两端的 锥形曲率半径为巧和巧。左半图片中的端视图示出曲率1^是如何测量的。距离d等于d =T1 ·008(Φ)ο角Φ由sin((ji) = L/2ri定义，这样对于小的角Φ，可得Φ L/2rlt)在 平分半径为巧的锥形表面的天线表面上各点之间的曲率的时间差量度等于Clt1 = Ad/c = (rrd) /c ΓιΦ2/2ο = L2/(8 ·巧· c)。在r2 = rrL · sin( θ )处的曲率的时间差量度由 同一表达式给出，但用巧代替于是，dt2 = dti+I^sir^ θ )/gri2c。假设是无偏测量误差，即假设测量时间差Clt1和dt2是随机分布值，具有不同的平 均数Clt1和dt2但有相同的统计确定的标准偏差σ，在阵列两端处的平均测量值正确确定 了那里的局部曲率。用于时间差Clt1和dt2的测量值的示范分布示于图4。在端2所作的样本测量示为X。端2处的曲率半径(半径r2)小于端1处的曲率 半径(半径巧)。所以，在端1所作的具有大于X的值的所有测量会得出正确判定，即端1 处的曲率大于端2处的曲率。当在端2处的测量值等于X时，作出正确判定的概率由下式给出
权利要求
1.一种用于识别在通过形成天线的声传感器阵列所生成的信号内的枪口爆炸的方法， 包括定义与枪口爆炸穿过声传感器阵列所需要的时间相对应的时间窗口的宽度；检测所生成的信号内的冲击波；在检测所述冲击波后，按照时间函数以及按照生成所述信号的声传感器的数量的函 数，测量在一系列连续的时间窗口内所生成的信号的总能量；识别与剩余的所述连续的时间窗口中的每一个相比，具有更大的所测量的总能量的所 述连续的时间窗口之一；以及将所识别的时间窗口关联为对应于所述枪口爆炸。
2.如权利要求1所述的方法，其中测量所述总能量包括在所述窗口上和在声传感器的 数量上积分所测量的能量。
3.如权利要求1所述的方法，还包含识别冲击波回声和忽略与所识别的冲击波回声对 应的所生成的信号的窗口。
4.如权利要求1所述的方法，还包含确定在所识别的时间窗口中与峰能量对应的点；并且如果所述峰能量是在所识别的时间窗口中的剩余的点的所测量的总能量的给定的比 例因子倍，则将所述点与所述枪口爆炸关联。
全文摘要
说明了用于定位超声射弹枪械的系统和方法。该系统使用至少5个隔开的声传感器。检测对于冲击波以及可选的枪口爆炸的传感器信号，其中枪口爆炸检测或是来自少于4个传感器通道而不完全，或是由于缺乏信号强度而不确定。遗传算法可用来有效地消歧这些结果。
文档编号G01S5/22GK102135399SQ20101058688
公开日2011年7月27日 申请日期2005年8月24日 优先权日2004年8月24日
发明者J·E·巴杰, M·S·布林, R·J·穆伦, S·D·米利根 申请人:Bbn科技有限公司