枪声定距与弹丸测速方法
【专利摘要】随着声测定位技术的发展，枪声定位系统的运用愈发成熟，在军用、警用领域都取得了不错的效果，运用场景也更加多变，在定点执勤、维稳、巡逻、运兵、战斗行动等都有应用，对提升侦查探测的准确性和提高战场士兵的安全性都有积极的作用。本发明提供一种能够精确测量声源点距离和弹丸速度的方法，通过建立阵列模型的数学方法，解决了现有方法中不能准确定距和测量弹丸速度的技术问题，能有效提升定位信息的准确性和丰富性。
【专利说明】
枪声定距与弹丸测速方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种快速精确测量枪口距离和弹丸速度的声测方法，尤其设及一种利 用微型麦克风阵列和膛口波、弹丸激波确定枪声距离和弹丸速度的方法。
【背景技术】
[0002] 随着声测定位技术的发展，枪声定位系统的运用愈发成熟，在军用、警用领域都取 得了不错的效果，运用场景也更加多变，在定点执勤、维稳、巡逻、运兵、战斗行动等都有应 用，对提升侦查探测的准确性和提高战场±兵的安全性都有积极的作用。
[0003] 声测枪声定位系统是采用膛口波和弹丸激波进行定位的，膛口波为弹体内火药在 枪膛中爆炸所形成的，弹丸激波是弹头在超音速飞行的状态下挤压空气所产生的飞行噪 声，运两种声波携带有声源点和弹丸的相关信息，采用至少两个微型麦克风阵列分别测量 两种声波通过阵列的时间，并求得其时间差，通过计算即可测定声源点的方向、距离和弹丸 速度。
[0004] 在枪声定位系统领域，国内外所应用的声测方法大体可分为两类，即空间立体探 测和平面探测。空间立体探测采用空间分布的传感器阵列，W大尺寸阵列为主，利用膛口波 到达时间差直接计算声源点的俯仰角和方位角，而后估算声源点位置;平面探测忽略声源 点的俯仰角，W小尺寸平面阵列进行分析，多运用在单兵背负式系统，其利用同一阵列中传 感器检测到的膛口波和弹丸激波到达时间差来估算方位角和距离。上述方法测向性能较 好，但在定距和弹丸信息估算能力上存在明显不足，而阵列尺寸过大不易隐蔽也限制了枪 声定位系统的发展。例如CN103852746所述方法中，位置估算信息本身就存在误差，而由于 距离求解公式中使用了位置估算的结果，运就进一步放大了误差，定距效果并不理想； CN102243041所述方法中，提出了一种弹道解算方法，但根据弹道追溯声源点在远距离条件 下效果不佳，也无法做到对距离信息和弹丸速度的估计，定位效果并不理想。而运种数据的 不准确性和缺失性大大增加了±兵的危险系数，在运种情况下需要辅助W激光探测系统或 红外探测系统才能实现准确的定距和弹丸信息的估计，而运就增加了定位设备的成本。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种能够精确测量声源点距离和弹丸速度的方法，解决了现 有方法中不能准确定距和测量弹丸速度的技术问题，能有效提升定位信息的准确性和丰富 性。
[0006] 为实现上述目的，本发明所采用的技术解决方案是：
[0007] -种枪声定距和弹丸测速方法，其特征在于:包括W下步骤：
[000引1、布设并固定至少=个正棱锥麦克风阵列，任意选取两个正棱锥阵列的底面中点 连线作为X轴建立=维直角坐标系，确定各阵列每一个麦克风传感器的坐标，测量两麦克风 阵列中屯、点间的距离D，将两个正棱锥阵列的底面中点的坐标口1、&分别记为两个麦克风阵 列的坐标，声源点坐标记为P。
[0009] 2、记录膛口波和弹丸激波到达各麦克风传感器的时刻;对于每一个阵列而言，在 其中任选一个麦克风传感器作为基准麦克风，而后计算该阵列中其他麦克风传感器与基准 麦克风接收到膛口波的时间差，计算该阵列中其他麦克风传感器与基准麦克风接收到弹丸 激波的时间差;计算一个麦克风阵列中所有麦克风传感器接收到膛口波的平均时刻tit和接 收到弹丸激波的平均时刻tid，并将tit和tid作为该麦克风阵列膛口波和弹丸激波到达的时 亥IJ;计算另一个麦克风阵列中所有麦克风传感器接收到膛口波的平均时刻和接收到弹丸 激波的平均时刻t2d，并将t2t和t2d作为该麦克风阵列膛口波和弹丸激波到达的时刻。
[0010] 3、测量海拔与溫度，根据海拔、溫度对声音在空气中传播的影响公式计算声速C。
[0011] 4、建立求解模型，将通过麦克风阵列的膛口波与弹丸激波波峰面视为平面，求解 通过麦克风阵列的膛口波与弹丸激波波峰面的单位方向向量。
[0012] 4.1、选取独立麦克风阵列中任意一个麦克风传感器为基准麦克风，根据坐标关系 分别计算出该阵列中剩余麦克风传感器指向基准麦克风的指向性向量，W每个向量作为矩 阵的一行构成矩阵化X3。
[0013] 4.2、分别计算出该阵列中剩余麦克风传感器接收到声波(膛口波或弹丸激波）的 时刻与基准麦克风接收到该声波的时刻之间差值，将每一个差值作为矩阵的一列构成列矩 阵TiXio
[0014] 4.3、将所测声波的方向向量写为列矩阵K3X1，并根据声达时间差、声达距离差和上 述矩阵之间的关系，=个矩阵之间有如下等式成立：
[0015] Qix3 ? Ksxi = C ? TiXi
[0016] 4.4、根据麦克风阵列的传感器分布关系，矩阵QiX3必然可逆，则可计算出矩阵K3X1 的表达式：
[0017] Ksxi = C ? (Qix3)-1 ? TiXi
[0018] 4.5、将矩阵K3X1写为向量形式乏，然后将其进行单位化运算，即可求得声波通过该 麦克风阵列的单位方向向量I。
[0019] 4.6、将一个麦克风阵列的麦克风传感器坐标带入并计算如4.1所述的矩阵化，分 别根据阵列中各传感器接收到膛口波和弹丸激波的时间差组成矩阵Tit和Tid,根据4.4和 4.5所述公式与方法，分别计算该麦克风阵列检测到膛口波的单位方向向量;^和弹丸激波 的单位方向向量品,将另一个麦克风阵列的麦克风传感器坐标带入并计算如4.1所述的矩 阵分别根据阵列中各传感器接收到膛口波和弹丸激波的时间差组成矩阵T2t和T2d，根据 4.4和4.5所述公式与方法，计算该麦克风检测到膛口波的单位方向向量品和弹丸激波的单 位方向向量品^
[0020] 5、确定枪响时刻t和声源点距离S及声源点坐标P:
[0021] 5.1、将枪响的时刻记为t，根据所建立坐标系中坐标和向量关系，将两麦克风阵列 的坐标Pi、h与声源点坐标P之间的关系表示为：
[0022]
[0023] 5.2、两个麦克风阵列间的指向性向量即由一个阵列坐标点指向另一个阵列坐标 点的向量为W，其自身表达式W及与两麦克风阵列之间距离D的关系可表示为：
[0024]
[0025] 5.3、将5.1和5.2中坐标及向量关系总结为如下形式：
[0026]
[0027] 5.4、推导并计算枪响初始时刻t:
[002引
[0029] 5.5在声速C已测量的情况下，根据枪响时刻即膛口波的发生时刻W及阵列检测到 膛口波的时劝I，计貸亩源占的距离S巧亩源点坐标P:
[0030]
[0031]
[0032] 6、计算弹丸速度V:
[0033] 6.1、规定弹道上与阵列坐标Pi、P2对应的弹丸激波声源点的坐标分别为Pa、Pb，与 阵列坐标Pi、P細对应的通过该阵列坐标点的马赫锥线分别为射线Li、L2,在Pa与L2组成的平 面内，过Pa向L2做垂线段，垂足坐标为P22,该点定义为阵列点P2关于马赫锥线L2的镜像点，在 ?6与。组成的平面内，过口6向^做垂线段，垂足坐标为Pll,该点定义为阵列点Pl关于马赫锥 线^的镜像点。
[0034] 根据镜像点的定义方式，阵列点Pi的镜像点Pii在马赫锥的同一条马赫线上，弹丸 激波到达运两点的时间同为tld，阵列点P2的镜像点P22也同样在马赫锥的同一条马赫线上， 弹丸激波到达运两点的时间同为t2d。
[0035] 6.2、根据所建立的坐标系的坐标及向量位置关系，麦克风阵列坐标、弹丸激波声 源点坐标和麦克风阵列关于弹丸激波的镜像点坐标W及弹头到达弹丸激波声源点的时刻 tA、tB有如下关系：
[0036]
[0037] 6.3、根据位置关系，一个麦克风阵列与该麦克风阵列关于弹丸激波的镜像点间连 线的所构成的向量fc，与通过该麦克风阵列的弹丸激波方向向量；；；垂直，基此：
[00；3 引
[0040]
[0039] fi -/L巧报fi -2由处掠巧向吾羊态而悠简化为；
[0041] ItA'tB:
[0042]
[0043] 根据坐标关系求得两麦克风阵列所测得的弹丸激波的声源点坐标Pa、Pb，再根据第 6部分所求的枪响时刻to，计算弹丸的速度V:
[0044]
[0045] 本发明的益处在于，能够测定立体空间射击距离及弹速，没有忽略角度而产生的 误差;建立多个阵列减小误差和错误数据，提高设备安全性。阵列体积小，能够减小设备体 积。
【附图说明】
[0046] 图1为双麦克风阵列布设示意图。
[0047] 图2为膛口波与弹丸激波传播方向示意图。
[0048] 图3为阵列点、激波声源点、阵列镜像点位置关系示意图。
[0049] 图4为S麦克风阵列布设示意图。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合实施例和附图，对本发明提出的枪声定距和弹头速度检测方法进行详细 的说明。
[0化1]实施例1
[005^ 如图1所示，布设两个正；棱锥麦克风阵列，阵列A由40,41，42,43四个麦克风传感 器组成，阵列B由Bo, Bi, B2，B3四个麦克风传感器组成，两阵列臂长均为d，两阵列间的距离为 D，W两阵列中点连线作为X轴建立直角坐标系，并标定各麦克风传感器的坐标和阵列A与B 的坐标Pl与P2。
[0053]计算膛口波和弹丸激波到达阵列A和B的时间：膛口波到达阵列A的时间tit定义为 膛口波到达阵列A四个麦克风传感器的平均时刻，弹丸激波到达阵列A的时间tid定义为弹丸 激波到达阵列A四个麦克风传感器的平均时刻;膛口波到达阵列B的时间t2t定义为膛口波到 达阵列B四个麦克风传感器的平均时刻，弹丸激波到达阵列B的时间t2d定义为弹丸激波到达 阵列B四个麦克风传感器的平均时刻。
[0054] 测量海拔与溫度，根据海拔、溫度对声音在空气中传播的影响公式计算声速c。
[0055] 1、计算通过麦克风阵列A和B的膛口波峰面与弹丸激波峰面的单位方向向量：
[0056] 1.1、对于麦克风阵列A，选Ao作为基准麦克风，膛口波到达基准麦克风Ao的时刻与 到达心，42,43;个麦克风的时间差分别为^、142、心己个声达时间差组成列矩阵。;根据 向量关系，Ai，A2，A3指向Ao的向量分别记为:了,、石％，[^每个向量作为矩阵一行 构成矩阵Qi;假设通过阵列A的膛口波峰面方向向量为窥= (xu，_y,、,，::、，），将其写为列矩阵形 式化，上述=个矩阵可表示为：
[0化7]
[005引根据坐标和向量关系有：
[0化9]
[0060] 上式写为向量形式的方程组可表达为：
[0061]
[0062]根据标定的各麦克风传感器的坐标，上述方程组描述为矩阵相乘的形式：
[0063；
[0064]上式即对应化?化=CTi的表达式，由于阵列的臂长d不为零，式中矩阵化必然可 逆，可将矩阵化写为：
[00 化]
[0066] 将矩阵化写为向量形式即是玩，将其进行单位化即为通过阵列A的膛口波峰面的 单位方向向量m 。
[0067] 根据上述计算方法，将矩阵Tl替换为阵列A测得弹丸激波的时间差所构成的列矩 阵T2,即可求得通过阵列A的弹丸激波峰面的方向向量品。
[006引阵列A与阵列B的布设方式相同，采用上述计算方法其矩阵化相同，故将矩阵Tl替换 为阵列B测得膛口波的时间差所构成的列矩阵T3,即可求得通过阵列B的弹丸激波峰面的方 向向量将矩阵Tl替换为阵列B测得弹丸激波的时间差所构成的列矩阵T4,即可求得通过 阵列B的弹丸激波峰面的方向向量品。
[0069] 如图（2)所示，P为声源点，分别为阵列A、B检测到的膛口波方向向量巧、冠 的单位方向向量，品、完分别为阵列A、B检测到的弹丸激波方向向量品、品的单位方向向 量，其中Al,B功弹丸激波声源点，另根据图和计算膛口波和弹丸激波到达阵列A和B的时间， 可将阵列A和B的已知信息汇总：
[0070]阵列A:坐标Pi，膛口波接收时刻tit、单位方向向量京，弹丸激波接收时刻tid、单位 方向向量品1
[0071 ]阵列B:坐标P2，膛口波接收时刻t2t、单位方向向量是，弹丸激波接收时刻t2d、单位 方向向量完
[0072 ] 2、确定枪响时刻t和声源点距离S与声源点坐标P:
[0073] 2.1、根据坐标和向量关系，将两麦克风阵列的坐标表示为：
[0074]
[00巧]2.2、计算两个麦克风阵列间的指向性向量《，并将其和距离D的关系表示为：
[0076]
[0077] 2.3、将2.1和2.2所述坐标及向量关系总结为如下形式：
[007引
[0079]
[0080]
[0081] 2.5、根据枪响时刻和阵列检测到膛口波的时刻计算声源点的距离S并计算声源点 坐标P:
[0082]
[0083]
[0084] 3、确定弹丸速度V:
[0085] 3.1、如图（3)所示，弹头沿直线^飞行，弹丸激波随弹头飞行传播形成马赫锥，对 于检测阵列A、B，其分别位于马赫锥的横切面圆化与圆化上，通过两点的马赫锥线分别为La 与Lb,Ai、Bi分别为阵列A、B对应的弹丸激波声源点，根据弹丸激波和马赫锥的特性有AAi垂 直于La,BBi垂直于Lb,直线AAi单位方向向量即为通过阵列A的弹丸激波单位向量品，直线BBi 单位方向向量即为通过阵列B的弹丸激波单位向量品:;另在Al与Lb所在的平面中做直线AiB2 垂直于Lb，垂足为B2，在Bi与La所在的平面中做直线B1A2垂直于La,垂足为A2，将A2、B2分别称 为阵列A、B关于马赫锥线La、Lb的镜像点，其坐标分别记为Pii、P22,基于所作垂线的位置关系 有AiB2与BiB平行，且单位方向向量同为品，BiA2与AiA平行，且单位方向向量同为品。将弹丸激 波声源点Al、Bi和镜像点A2、B細关已知信息汇总：
[00化]Al:坐标Pa,弹丸激波产生即弹丸到达时刻tA;
[0087] Bi:坐标Pb，弹丸激波产生即弹丸到达时刻tB;
[008引 A2:坐标Pii,弹丸激波接收时刻tid、单位方向向量品；
[0089] B2:坐标P22,弹丸激波接收时刻t2d、单位方向向量完；
[0090] 3.2、根据向量及坐标关系，麦克风阵列坐标、弹丸激波声源点坐标和麦克风阵列 关于马赫锥线的镜像声源点坐标W及弹头到达弹丸激波声源点的时刻tA、tB有如下关系：
[0091]
[0092] 3.3、根据位置关系，一个麦克风阵列与另一个麦克风阵列关于弹丸激波的镜像声 源点间连线的向量与通过该麦克风阵列的弹丸激波方向向量垂直，基此：
[0093]
[0094] 偏化为：
[0095]
[0096]
[0097] 哥tA'tB:
[009引
[0099] 3.6、根据3.2中坐标关系求得两麦克风阵列所测得的弹丸激波的声源点坐标Pa、 Pb,再根据2.4所求的枪响时刻t，计算弹丸的速度V:
[0100]
[0101] 实施例2
[0102] 下面结合上述方法，再介绍一种使用=个麦克风阵列进行定距和弹丸速度估计的 实施例，该实施例通过增加麦克风阵列数量和改变阵列布设模型对定距和弹丸速度估计的 结果进行了优化。
[0103] 如图四所示，布设=个正=棱锥麦克风阵列A、B、C，WA、B做为主模型，C做为辅助 阵列，A、C为辅助模型，建立空间直角坐标系。
[0104] 在定距过程中，仍然WA、B为主模型进行定距操作，计算方法与前述实施例相同。 考虑定距过程中的特殊声源点的情况，即当主模型中A、B两阵列所检测到的膛口波方向向 量的差向量与两阵列间连线垂直时，将导致5.4中估算枪响时刻的公式其分母为零，W致出 现定距数据异常，在此情况下，选取A、C辅助模型进行定距，计算方法与前述实施例相同，基 此能够有效避开特殊声源点，提高定距的精准度。
[0105] 在弹丸速度估计中，WA、B为主模型进行定距操作，计算方法与前述实施例相同。 考虑到弹丸速度估计中特殊弹道轨迹的情况，即弹道轨迹直线与阵列A、B连线共面，运时两 阵列所检测到的弹丸激波单位方向向量相同，将导致6.5中估算弹丸飞行时刻的公式其分 母为零，出现弹丸速度估计数据异常，在此情况下，选取A、C辅助模型进行定距，计算方法与 前述实施例相同，基此能够有效避开特殊弹道轨迹直线，提高弹丸速度估计的精准度。
[0106] W上为本发明的较佳实施方案，凡熟悉此项技术者，在了解本发明的技术手段后， 皆能够根据实际运用需要进行调整变化，例如增加麦克风阵列数列、调整阵列布设模型，调 整麦克风阵列中传感器布设结构等，凡依据本发明申请专利范围内所做的同等变化与修 饰，皆应属本发明专利所涵盖的范围。
【主权项】
1. 一种枪声定距与弹丸测速方法，该方法包括： SI:布设并固定至少三个正棱锥麦克风阵列，选取其中两阵列作为主模型阵列，其余阵 列备用，建立坐标系； S2:记录膛口波和弹丸激波到达各麦克风传感器的时刻； S3:测量海拔与温度，根据海拔、温度对声音在空气中传播的影响公式计算声速； S4:建立求解模型，将通过麦克风阵列的膛口波与弹丸激波波峰面视为平面，求解通过 麦克风阵列的膛口波与弹丸激波波峰面的单位方向向量； S5:确定枪响时刻和声源点距离及声源点坐标； S6:计算弹丸速度。2. 根据权利要求1所述的一种枪声定距与弹丸测速方法，其特征在于:步骤Sl中，当出 现特殊声源点的情况，即当主模型中所选取两阵列所检测到的膛口波方向向量的差向量与 两阵列间连线垂直或弹道轨迹直线与所选取阵列连线共面时，改变其中一个主模型阵列， 选取一个备用阵列建立坐标系。3. 根据权利要求1所述的一种枪声定距与弹丸测速方法，其特征在于:步骤Sl主要步骤 为:任意选取两个正棱锥阵列的底面中点连线作为X轴建立三维直角坐标系，确定各阵列中 每一个麦克风传感器的坐标，测量两麦克风阵列中点间的距离D，将两个正棱锥阵列的底面 中点的坐标P^P 2分别记为两个麦克风阵列的坐标，声源点坐标记为P。4. 根据权利要求1所述的一种枪声定距与弹丸测速方法，其特征在于:步骤Sl主要步骤 为:对于每一个阵列而言，在其中任选一个麦克风传感器作为基准麦克风，而后计算该阵列 中其他麦克风传感器与基准麦克风接收到膛口波的时间差，计算该阵列中其他麦克风传感 器与基准麦克风接收到弹丸激波的时间差。5. 根据权利要求1所述的一种枪声定距与弹丸测速方法，其特征在于:步骤S4主要步骤 为： 54.1、 选取独立麦克风阵列中任意一个麦克风传感器为基准麦克风，根据坐标关系分 别计算出该阵列中剩余麦克风传感器指向基准麦克风的指向性向量，以每个向量作为矩阵 的一行构成矩阵QiX3 ; 54.2、 分别计算出该阵列中剩余麦克风传感器接收到声波(膛口波或弹丸激波）的时刻 与基准麦克风接收到该声波的时刻之间差值，将每一个差值作为矩阵的一行构成矩阵T ixl; 54.3、 将所测声波的方向向量写为列矩阵K3xl，并根据声达时间差、声达距离差和上述 矩阵之间的关系，三个矩阵之间有如下等式成立： QiX3 · K3X1 = C · TiXl 54.4、 根据麦克风阵列的传感器分布关系，矩阵Q1X3必然可逆，可计算出矩阵K3xl的表达 式.54.5、 将矩阵心^写为向量形式云，然后将其进行单位化运算，即可求得声波通过该麦 克风阵列的单位方向向量I;6. 根据权利要求1所述的一种枪声定距与弹丸测速方法，其特征在于:步骤S5主要步骤 为： 55.1、 将枪响的时刻记为t，根据所建立坐标系中坐标和向量关系，将两麦克风阵列的 坐标P1、P2与声源点坐标P之间的关系表示为：55.2、 两个麦克风阵列间的指向性向量即由一个阵列坐标点指向另一个阵列坐标点的 向量为其自身表达式以及与两麦克风阵列之间距离D的关系可表示为：55.3、 将5.1和5.2中坐标及向量关系总结为如下形式：S5.5在声速c已测量的情况下，根据枪响时刻即膛口波的发生时刻以及阵列检测到膛 口波的时刻，计算声源点的距离S和声源点坐标Ρ:7.根据权利要求1所述的一种枪声定距与弹丸测速方法，其特征在于:步骤S6主要步骤 为： 56.1、 规定弹道上与阵列坐标应的弹丸激波声源点的坐标分别为Ρα、Ρβ，与阵列 坐标Pi、Ρ2相对应的通过该阵列的马赫锥线分别为L1、L2，在Pa与L 2组成的平面内，过Pa向L2做 垂线段，垂足坐标为P22,该点定义为阵列点P 2关于弹丸激波的镜像点，在?8与1^组成的平面 内，过Pb向1^做垂线段，垂足坐标为Pn，该点定义为阵列点P 1关于弹丸激波的镜像点。 根据镜像点的定义方式，阵列点镜像点Pn在马赫锥的同一条马赫线上，弹丸激波 到达这两点的时间同为〖1(1，阵列点内的镜像点P22也同样在马赫锥的同一条马赫线上，弹丸 激波到达这两点的时间同为t 2d。 56.2、 根据所建立的坐标系的坐标及向量位置关系，麦克风阵列坐标、弹丸激波声源点 坐标和麦克风阵列关于弹丸激波的镜像点坐标以及弹头到达弹丸激波声源点的时刻t A、tB 有如下关系：56.3、 根据位置关系，一个麦克风阵列与该麦克风阵列关于弹丸激波的镜像点间连线 的所构成的向量I，与通过该麦克风阵列的弹丸激波方向向量=垂直，基此：根据坐标关系求得两麦克风阵列所测得的弹丸激波的声源点坐标Pa、Pb，再根据求得的 枪响时刻to,计算弹丸的速度V :
【文档编号】G01S11/14GK106019266SQ201610312806
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】党存禄, 于光祖
【申请人】兰州理工大学