一种服务自动报靶的炸点声源定位方法及系统与流程

本发明涉及声源定位，尤其涉及一种服务自动报靶的炸点声源定位方法及系统。

背景技术：

1、进行多种打靶训练时，为了保证安全，进行训练时会封闭靶场。训练和封闭常常需要持续一段时间，不能及时了解打靶的命中情况。另一方面，不同波次打靶完成，又需要及时了解打靶的结果。

2、目标定位已经广泛应用于军事、航空航天、靶场等地方，因此大量机构在该领域投入人力、物力、财力来研发各种定位技术和定位设备，例如光学探测、红外探测、地面雷达、侦察机、预警机以及无人机等目标探测技术或目标探测系统。在这些探测技术或系统中，从使用的探测方式上可分为，利用声，光和电磁的多种方式。其中利用声音的声探测技术就显示出其独特的优点：1)受天气的限制小。在户外试验场进行定位探测，会遇到各种恶劣的气象条件，而声探测技术可以在黑夜、雨雪天、大雾环境下进行工作，实现全天候的连续正常探测，可以很好的补充现有探测技术的不足。2)声探测不受视线的限制。地貌对声测技术的影响较为微弱，它可以在视线看不到的山丘、丛林等各种复杂地势中应用。同时对于爆炸引起的烟尘、扬尘，也无妨声源定位。3)声探测的范围大。衰减系数和方向性对于次声波、超声波来讲是比较弱的，可实现远距离和大范围的目标进行探测。

3、目前利用无线传感器网络的声探测技术方案已经出现，主要应用在枪声定位、弹着点定位以及爆炸声定位等领域。这些传感器声探测技术方案，在特定环境下使用，采用自己构建私有无线网、利用私有通信通信协议传输数据。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种服务自动报靶的炸点声源定位方法及系统。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种服务自动报靶的炸点声源定位方法，所述声源定位方法包括：

3、步骤100：将两个基阵布放在适当的位置，建立稳定的无线网络连接，并设置相应的坐标和原点，测量两个基阵原点之间的距离；

4、步骤200：对两个基阵中的一个基阵，采集音频信号，进行模拟-数字转换，将得到的数字化信号数据存贮，供后继步骤使用；

5、步骤300：对采集得到的数据分帧进行处理，数据分帧有一定的重叠；

6、步骤400：检测当前处理的帧中是否有声学事件，如果没有，则处理下一帧；如果有，则对当前帧估计各个通道的时间延迟；

7、步骤500：根据估计得到时延，计算声源相对基阵的方位；

8、步骤600：计算获得方位的特征值，根据最高信号幅度的功率计算，具体如下：

9、ej＝1-pmm/pmax

10、式中，ej表示第j帧的特征值，pmax和pmm分别为当前帧最高信号幅度的功率和当前帧除最高信号幅度外的平均功率；

11、步骤700：通过无线网络传送计算得到的方位值和特征值到融合处理计算机；

12、步骤800：同时对另一个基阵做步骤200～步骤700的处理；

13、步骤900：在融合处理计算机上分别接收两个基阵发送的处理结果，根据特征值选择有效方位解算结果，并按照三角形关系解算声源位置；具体选择方法如下：

14、

15、式中ti为第i个结果的特征值总和，ej,i表示对应第i个结果、第j次的特征值，对每一个结果的特征值求和，选定特征值总和最大的对应结果为有效结果；

16、步骤1000：输出计算得到的声源位置结果。

17、可选的，所述步骤100的具体步骤包括：

18、将两个独立的基阵布放在基础位置；

19、在两个独立的基阵和数据融合处理的计算机之间建立稳定的无线网络连接，根据现场的情况采用通信服务商提供的5g、4g，以及搭建wifi网络方式连接，便于后继步骤利用无线网络传输处理结果，融合数据结果，求解声源的具体位置；

20、为基阵设置相应的坐标和原点；

21、最后测量两个基阵原点之间的距离。

22、可选的，所述步骤200对两个基阵中的任意一个基阵，采集音频信号；

23、通过传声器获取的音频信号是模拟量，需要进行模拟-数字转换，即将模拟信号进行量化，以数字的形式保存；

24、为了能够对声源进行测量，基阵有多个传声器，并按照一定的几何形状安放，数字化后的信号，需要按照对应的传声器通道、统一的时间基准保存，供后继步骤使用。

25、可选的，所述步骤300具体包括：采样得到的数据，随着时间推延，会不断到来，采取分组，即分帧的方法对得到的数据进行处理；分帧，一般取2n数目的数据作为一帧，根据采样频率调整n值。

26、可选的，所述步骤400具体包括：检测当前处理的帧中是否有声学事件，如果没有，则处理下一帧；如果有，则对当前帧估计各个通道的时间延迟；

27、利用接收信号功率的变化判断是否存在声学事件及估计当前帧各通道延迟，具体处理方法如下：

28、估算当前帧信号功率的均值

29、

30、其中，em表示第m帧信号的均值，n为当前帧采样信号的总数量，ai为帧中第i个信号的幅度值；

31、估算当前帧信号的方差

32、

33、其中，表示第m帧信号的方差，em表示第m帧信号的均值，n为当前帧采样信号的总数量，ai为帧中第i个信号的幅度值；

34、根据当前帧信号的均值和方差判断是否有声学事件；

35、利用系统分别采集计算环境背景噪声和有信号时的均值eg与方差如果当前帧的em≤eg，则确定为当前帧没有声学事件；

36、估计当前帧各个通道的延迟，利用广义相关方法估计时延，具体方法是通过计算两信号之间的互功率谱，并给计算得到的功率谱进行白化加权处理，抑制噪声的功率，以锐化时域的峰值；

37、将处理后的互功率谱进行傅立叶逆变换，得到广义互相关函数，根据互相关函数的峰值估计时延；

38、设两个传声器采集到的声信号分别为x1(t)和x2(t)，声源信号为s(t)，d为两阵元间的时延，n1(t)和n2(t)为加性噪声；

39、假定声源信号s(t)和噪声n1(t)、n2(t)是互不相关的方差为1且均值为0的正态平稳随机过程；则两路信号x1(t)和x2(t)表示为：

40、

41、令α＝1，传声器收到的信号x1(t)和x2(t)的互相关函数为：

42、

43、

44、式中，因为声源信号s(t)和噪声n1(t)、n2(t)互不相关，所以e(s·n)以及e(n1·n2)均为0；

45、当x1(t)和x2(t)的互相关函数取得最大值时rss(τ-d)取得最大值；

46、rss(τ-d)≦rss(0)，取得最大值时的τ即为时延d；

47、对于观测时间有限的离散信号，互相关估计为：

48、

49、其中2m+1为相关函数的长度，n为整个数据的长度，要求m>|d|；

50、由于n表示采样点数，是采样周期ts的n倍，且只能取整数，影响时延估算的精度，造成时延估计±0.5ts的误差；

51、互相关函数的傅里叶变化是互功率谱函数，在相关器前加窗，为广义互相关算法，利用这一性质，在频域内抑制噪声频率成分，然后再转为时域进行分析处理；

52、采用互相关法估算时延本质上就是求函数的极大值，极大值对应的点，为估计的时延。

53、可选的，所述步骤500：根据估计得到时延，计算声源相对基阵的方位；处理具体方法如下：

54、步骤501：选择适当的传声器基阵几何形状：

55、通常情况下，探测阵列分为线阵列、面阵列和立体阵列；线阵列中阵元成一条直线，以直线为界限在半个平面内定位，线阵列模型简易，然而在接近直线的位置，定向及定位精度低；阵元在同一平面内的阵列为面阵列，面阵列可以探测以平面为界限的半个空间区域，其方位角、俯仰角以及距离均受到阵元位置和有效声速的影响，而且俯仰角探测精度不高；由多个传感器构成的立体阵列可以对整个空间进行探测定位，大大提高俯仰角探测精度，从而提高了三维坐标的定位精度，可以根据不同需要选择相应的传声器基阵形状；同时需要保证阵元间的间距远远小于目标声源到基阵的距离，以保证计算中将声波传播到传声器时近似为平面波的前提成立；

56、步骤502：确定阵元之间的间距，或坐标位置；

57、采用三维笛卡尔坐标系表示基阵阵元的位置；根据选定的原点和坐标轴方向以及阵元间的间距，确定各个阵元在坐标系中的坐标数值；

58、步骤503：计算声源的方向，包括方位角和俯仰角；

59、各个传声器有一定的间距，从目标声源到不同阵元会产生时延；结合间距、时延和声速，确定目标声源的方位角和俯仰角；

60、传声器基阵有n+1个阵元，分别为m0，m1，…，mn，目标声源信号到达m0与m1，m2，…，mn的时延分别为τ01、τ02、…τ0n，对应声程差分别为r01、r02、…r0n，有如下计算公式：

61、τ0i＝ti-t0(式中，i＝1，2，…，n)

62、r0i＝c·τ0i(式中c为声速，i＝1，2，…，n)

63、根据步骤400中估计时延的方法，得到τ01、τ02、…τ0n，进一步计算得到r01、r02、…r0n；如果目标声源距m0的距离为r0，根据立体几何知识得到下面的公式：

64、

65、式中，x，y，z为目标声源的位置坐标，xi，yi，zi(i＝0，1，2，……，n)为基阵中阵元传声器m0，m1，…，mn的位置坐标；方程联立，求解得到x，y，z和r0；因为距离计算的偏差较大，r0仅供参考；利用x，y，z计算目标声源方位，包括方位角和俯仰角：

66、

67、可选的，所述步骤600计算获得方位的特征值；具体利用信号功率的相对值作为特征值，计算方法如下：

68、步骤601：计算当前帧最高信号幅度的功率：

69、

70、其中，pmax表示第m帧信号的帧中最高的幅度值amax的功率；

71、步骤602：计算当前帧除最高信号幅度外的平均功率：

72、

73、其中，pmm表示当前帧除最高信号幅度外的平均功率，n为当前帧采样信号的总数量，ai为帧中第i个信号的幅度值，i的取值不包括最高信号幅度max；

74、步骤603：计算当前帧计算结果的特征值：

75、ej＝1-pmm/pmax

76、其中，ej表示第j帧的特征值，pmax和pmm分别为步骤601和步骤602中计算得到的结果。

77、可选的，所述步骤700通过无线网络传送计算得到的方位值和特征值到融合处理计算机；采用tcp/ip协议进行传输，以保证计算结果稳定可靠的传输到融合处理的计算机上。

78、可选的，所述步骤900在融合处理计算上分别接收两个基阵发送的处理结果，根据特征值选择方位解算结果，并按照三角形关系解算声源位置，具体如下：

79、步骤901：接收两个基阵发送的结果数据，并从中选择有效结果；

80、一个基阵测算得到的角度往往有多个值，需要根据特征值进行筛选；

81、假设一个基阵给出的角度值有n个结果，每种结果出现的次数为k1，k2，…，kn；每个结果都有对应的特征值，具体计算方法如步骤6所述；对应结果值，有特征值向量q1，q2，…，qn，有：

82、

83、

84、…

85、

86、式中qi表示对应第i个结果的特征值向量，ej,i表示对应第i个结果、第j次的特征值；对每一个结果的特征值求和，选定特征值总和最大的对应结果；

87、

88、其中ti为第i个结果的特征值总和，ej,i表示对应第i个结果、第j次的特征值；对每一个结果的特征值求和，选定特征值总和最大的对应结果为有效结果；

89、选择最大的ti对应的结果，作为有效结果供后继计算位置使用；

90、如上选择另外一个基阵的有效结果；

91、步骤902：根据测算得到的两个有效角度结果，构成三角形，利用三角关系解算声源位置；

92、根据方位角计算水平距离，为了便于测算距离，首先建立三角关系：即连接两个基阵的几何中心，构成三角形的一条边；分别连接两个基阵和声源，构成三角；已知两个阵间的距离为l，测得的声源方位角分别为α，β，由声源s点向基阵构成的边做垂线长度为y，垂足距基阵1的距离为x，有：

93、tanα＝y/x

94、tanβ＝y/(l-x)

95、得到x，y的值：

96、x＝tanβ·l/(tanα+tanβ)

97、y＝tanβ·tanα·l/(tanα+tanβ)

98、进一步求的基阵1、基阵2到声源的水平距离，r1，r2为：

99、

100、

101、再根据基阵1、2测得的俯仰角计算高度

102、

103、

104、可选的，所述步骤1000：输出计算得到的声源位置结果具体包括：

105、根据需要建立坐标系，给出声源的坐标位置；

106、分别给出距离两个基阵的方位，距离和俯仰角；

107、根据最终结果表示的需要给出声源的具体位置。

108、本发明还提供了一种服务自动报靶的炸点声源定位系统，所述系统包括：

109、传声器基阵模块，将传声器组成具有一定间距的几何形状，拾取环境中的声音信号；

110、模数转换模块，传声器基阵获取的声音信号为模拟信号，需要对传声器基阵拾取的声音信号进行模拟-数字转换(模数转换)；模数转换模块实现声音信号的模数转换；

111、数据分帧模块，对得到的数字信号分帧进行处理，将数据信号的数据分帧，帧与帧之间要有一定的重叠；

112、时延估计与角度计算模块，估算声信号达到基阵不同阵元的延时，根据基阵的几何形状和阵元之间的间距求解声源的方向；

113、特征值计算模块，在得到声源方向结果的同时计算对应数据帧的特征值；

114、处理结果发送模块，通过无线网，发送处理结果与特征值；

115、处理结果接收模块，通过无线网接收处理结果与特征值；

116、结果选择模块，根据基阵与其处理机端发送的特征值选择有效的处理结果；

117、声源位置计算模块，根据选出的有效结果，结合两个基阵的距离构造三角几何关系，解算具体的声源位置；

118、结果输出模块，根据需要给出声源位置，实现声源定位。

119、本发明提供的一种服务自动报靶的炸点声源定位方法及系统，通用标准应用层网络传输协议为数据传输基础，有效选择数据处理结果，结合成熟稳定的声源定位方法，实现分布式声源定位单元组网，完成炸点定位处理。首先，这一方法充分利用处理单元的处理能力，对数据量大、实时处理、同步要求高的步骤先行处理，仅传输数据处理结果，一方面满足数据处理实时、同步的要求，另一方面减少数据传输量，降低网络传输的压力。其次，利用主流通用标准应用层网络协议实现分布式组网，便于得到硬件平台和多种设备支持，便于利用已有的无线通信网络基础设施和通用技术基础。第三，分帧进行计算，选择帧特征作为选择结果的依据，简捷稳定，在适度数据量的基础上保证充分的有效数据。第四，整个处理方案有较好的移动性和可扩展性，根据需要布放、移动，增添处理单元，保证处理结果的准确性。

120、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。