一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法与流程

本发明涉及一种目标位置测量方法，具体涉及一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法。

背景技术：

1、在目标位置测量领域，被动式非接触测量因不影响被测目标、隐蔽性好，故而是较为常用的一种目标信息测量方式。声学测量系统是被动式非接触测量的一种，其具有低成本、全天候、不受烟雾干扰、测量范围大等特点，常用于大区域目标位置测量。

2、然而，传统的声学测量方法至少需要3个测点，测量系统需要的测点数量较多，导致所需的经济成本高、快速部署难度大、布设安装的复杂度和时间成本也比较高。此外，所需测点数量多导致整个部署周期较长，在野外大区域测量过程中，难以保障所需的通信和运输等，不利于大规模试验的开展。

3、在野外大区域测量弹着点位置等参数，使用的测点数目越少，测量系统布设安装的复杂度、时间和经济成本越低，通信也较容易得到保障，因此需寻求一种测点少的超音速弹体末段参数测量方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决传统的声学测量超音速弹体末段参数的方法存在测点多、快速部署难度大、经济成本高、布设安装复杂以及通信难以保障，不利于大规模试验开展的技术问题，而提供一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法。

2、本发明的构思是：弹体在超音速飞行时产生激波，以近垂直(运动方向与地面的夹角接近90°)方式下落时，激波以声速向测点的声阵列传播，到声阵列的激波由弹道轨迹上的一点发出，此点为最接近点。声阵列接收来自最接近点的激波，再接收弹着点发出的爆炸波，通过声阵列处理算法获得激波和爆炸波的方向，融合激波和爆炸波的方向以及到时差实现仅通过单个声阵列获得弹体末段参数。基于以上构思，本发明提出一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，首先采集立体十字形声阵列的五路声波信号，选择时延估计窗口，通过互相关时延估计法对信号进行时延估计，结合声阵列空间位置使用阵列信号处理算法得到激波和爆炸波的方向，对五路激波和爆炸波信号的到时求平均值，分别得到激波和爆炸波的到时；激波提前于爆炸波到达阵列，利用到时差融合计算得到末段参数。

3、本发明的技术解决方案：

4、一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，所述末段参数包括弹着点位置、爆炸时刻t以及弹体速率v，其特殊之处在于，包括以下步骤：

5、1)采集信号

6、1.1)根据预定弹着点位置，将立体五元十字形的声阵列安装在测点处，调整声阵列底部与地面平行，声阵列底部四个传声器按顺时针依次编号为1、2、3、4，顶部传声器编号为5；

7、1.2)使用信号采集仪同步采集声阵列的五路激波和爆炸波信号，并记录五路激波信号的波达时刻ts和五路爆炸波信号的波达时刻ti；

8、2)信号处理

9、2.1)通过公式θ＝θ0-θli+π计算得到偏北角度θ；

10、以声阵列中心o为原点，分别以1、4、5号传声器所指方向为x轴、y轴和z轴建立三维坐标系，定义x轴为阵列基准方向，θ0为阵列基准方向与正北方向的夹角；θli为爆炸波波达方向在xoy平面内的投影与x轴的夹角；

11、2.2)通过公式和分别计算得到五路激波信号的平均波达时刻和爆炸波信号的平均波达时刻ti，并通过下式计算得到弹着点到声阵列的距离d、弹体速率v和爆炸时刻t参数：

12、

13、

14、

15、

16、c为声波信号的传播速率；

17、为激波波达方向与xoy平面的夹角；

18、为爆炸波波达方向与xoy平面的夹角；

19、2.3)通过θ、弹着点到声阵列的距离d和声阵列自身在大地坐标系下的位置，得到弹着点位置。

20、进一步地，步骤2.1)中，θli通过以下公式计算得到：

21、θli＝atan2(kiy,kix)

22、

23、其中，为爆炸波到达的爆炸波波矢，的方向为爆炸波波达方向，弹着点相对于测点的方向为

24、进一步地，步骤2.1)中，所述获得的方法为：将1、2、3、4和5号传声器的五路爆炸波信号两两组对分别进行互相关时延估计，得到时延估计值序列τ＝[τ12，τ13，τ14，τ15，τ23，τ24，τ25，τ34，τ35，τ45]t，式中上标t表示向量的转置；将五个传声器位置两两组对得到10个方向向量，用矩阵表示为r＝[r12,r13,r14,r15,r23,r24,r25,r34,r35,r45]，其中r12为1号传声器指向2号传声器的向量，其余以此类推；

25、通过以下公式得到爆炸波波矢

26、

27、进一步地，步骤1中，所述声阵列的半径大于等于0.7m。

28、进一步地，步骤1中，所述测点与弹着点之间的距离大于750m。

29、本发明的有益效果是：

30、1、本发明一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，利用超音速弹体以近垂直角度下落时产生的激波和爆炸波到时，获取激波和爆炸波的波达方向，联合激波和爆炸波的波达方向以及到时差实现单个声阵列对弹着点位置、爆炸时刻以及弹体速度等末段参数的获取，可应用于大范围的超音速弹体近垂直下落的末段参数获取，大大简化操作流程，降低了测量系统的成本、野外布设的难度和保障需求，可快速布设，适用于测量远距离近垂直下落的超音速弹体弹着点位置、爆炸时刻以及弹体速率。

31、2、本发明一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，在超音速弹体近垂直下落的情况下，该方法仅需单个声阵列可实现弹着点位置、爆炸时刻和弹体速率的估计，计算简单有效，可用于在线实时获取弹体末段参数，便于应用推广。

32、3、本发明一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，在野外大区域测量应用中所需保障简单，系统布设准备过程短，可快速布设，利于大规模试验的开展，适用于快速部署和野外大区域机动式测量。

33、4、本发明一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，声阵列半径≥0.7m，确保声阵列测向的精度。

34、5、本发明一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，测点与弹着点位置之间的距离大于750m，使爆炸波和激波在波形图上完全分离，保证测量的准确性。

技术特征：

1.一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，所述末段参数包括弹着点位置、爆炸时刻t以及弹体速率v，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，其特征在于，步骤2.1)中，θli通过以下公式计算得到：

3.根据权利要求2所述的一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，其特征在于：

4.根据权利要1或2或3所述的一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，其特征在于：

5.根据权利要4所述的一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法，其特征在于：

技术总结
本发明涉及一种目标位置测量方法，具体涉及一种单阵列获取超音速弹体末段参数的方法。解决了传统的声学测量超音速弹体末段参数的方法存在测点多、快速部署难度大、经济成本高、布设安装复杂以及通信难以保障，不利于大规模试验开展的技术问题。本发明方法包括以下步骤：1)采集激波和爆炸波信号；2)信号处理；2.1)计算得到偏北角度θ；2.2)分别计算得到五路激波和爆炸波信号的平均波达时刻并计算到时差Δt，利用到时差计算得到弹着点到声阵列的距离d、弹体速率v和爆炸时刻t参数；2.3)通过θ、d和声阵列自身在大地坐标系下的位置，得到弹着点位置参数。该方法仅需单个声阵列即可实现弹着点位置、爆炸时刻和弹体速率的估计。

技术研发人员：梁旭斌,杨军,何斌,祝捷,张敏,孙迪峰
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13