基于声定位的冷枪发射位置探测仿真(编辑修改稿)

基于声定位的冷枪发射位置探测仿真(编辑修改稿)内容摘要：

，而高频声波在空气中很快就衰减了。 (2) 植被和气流的吸收 声波在大气中传播同时还要受到地面植被吸收和气流吸收，植被声吸收系数在高频段较大，低频段很小，在传播距离小于 200m 时，植被吸收系数很小。 [4] 环境对声传播的影响 声波在大气中传播时，除了球面波发散引起的声衰减以及由于声波的反射、衍射和散射引起的损失外，还有由环境和其他条件引起的逾量衰减，它包括下述几种因素：雨、雪、雾等气象条件；风和温度梯度；草地、灌木林、树木等地面效应。 战场环境中，对声传播 影响最大的气象因素是温度和风。 温度对声传播的影响 温度对声音的影响表现在对声速的影响。 空气中，声音是以纵波形式传播的。 声速是气体中各种分子量、比热、温度的函数： C RTM 式中 C：声速 ：气体比热 M：气体分子量 T： 氏温度 R：普适气体常数 空气中的声速可用经验公式表示为： 3 3 1 . 4 1 3 3 1 . 4 0 . 62 7 3 . 1 6TCt    式中 t为摄氏温度 在空气中，温度越高，声音传播的速度越大，反之 越小。 当温度梯度为正，即上层温度高于下层温度时，声音的传播会向上弯曲，反之，当温度梯度为负，即下层温度比上层温度高时。 声音的传播会向下弯曲。 在近地层大气中，温度是不均匀分布的，近地层中温度的分布总是存在着梯度，有时呈现正温度梯度，有时呈现负温度梯度。 因此，在定向和定距中，大气温度的不均匀性及多变性，对声音的传播影响很大。 清华 大学 2020 届毕业论文 10 风对声传播的影响 众所周知，在气象学上，在靠近地面的 1． 2~1． 5km范围内的薄层大气称为大气边界层。 该层内根据空气受地面影响不同又将 50~100m以下气层称为近地层。 根据声 信号的使用特点，它主要工作在近地层。 近地层内，一般风的速度为每秒几米，大风时，可以达到每秒十几米，甚至更大些。 风对声信号的干扰一是风速对有效声速的影响。 二是风速梯度使声线产生弯曲，三是风速的变化以及由于气流通过声引信形成的湍流和由于周围气流不断变化而形成的湍流，在声引信上产生很大的交变电压，使测量结果产生误差。 前两种干扰将使对声目标的测向及定位产生误差，而后一种干扰则使声引信收到的信号信噪比下降。 对此可以在预处理中通过去除均值和趋势项来减小它对目标信号的影响。 另外，各路信号的幅度响应也不完全一致，可以通过规 范化预处理来消除由于各路信号幅值的差异对时延估计精度的影响。 某一时刻空间一点某一方向上的风速为 g   式中，  为平均风速； g 为阵风风速。 实际观测表明，近地层中风的大小和方向随时间变化很迅速，对声引信来讲，平均风主要影响其探测距离，阵风主要影响其信噪比，进而影响对目标探测的正确率。 [5] 武器中特有的声波 弹头声波信号的产生 狙击步枪 射击时可以产生两种瞬态声音信号 :第一种是子弹被击发过程中子弹的火药爆炸，高温、高速、高压气流将弹头推出枪口时形成的膛口激波；第二种是弹丸在大气中超音速飞行时产生的冲击波，也叫做马赫波 (Machwave)。 清华 大学 2020 届毕业论文 11 图 小口径武器击发过程中产生的声波信号 弹头冲击波和膛口激波的波形参数携带了枪械口径、子弹飞行的弹道参数等信息，而它们到达麦克风的时间和方向确定了射击者和探测器之间的相对位置，通过对这两种声音信号的检测和识别，可以对射击者的进行定位。 因此对于狙击手声探测系统来说，这两种声波信号至关重要。 图 枪声传播模型 弹头冲击波 弹丸在大气中超音速飞行时，弹头表面与空气剧烈摩擦时会产生强烈的啸叫声，这个声音信号就是弹头冲击波信号，它是以锥形的方式向外扩散，这个锥体也叫做马赫锥，弹丸在马赫锥的顶点，锥面以声速远离弹丸飞行路径向外传播，示意图如图 所示， 是马赫角， M 为马赫数， C 为一个大气压下的声音速度，有 1arcsin( )M M  () /M v C () 清华 大学 2020 届毕业论文 12 根据式 和 ，声速 C 一定时， M 与 v 成正比。 当子弹速度 v 远大于声速 C 时，则马赫数 M 较大，马赫角 很小；当 M 无穷大时， M =0，弹头冲击波几乎垂直于子弹飞行的弹道向外传播。 当子弹的速度 v 接近声速 C 时， M 约等于 1，而 M 接近 90176。 ，冲击波近似与子弹路径平行传播。 一般情况下， 如果射击者与目标相距数百米，则要考虑空气阻力对子弹速度的影响。 当子弹受到空气的摩擦，其速度将逐渐减小，同时冲击波的马赫角 逐渐变大，直到冲击波消失，子弹速度减至低于音速之前，马赫角 M 趋于90176。 因此，实际马赫锥的锥面是凸的。 图 超音速冲击波 子弹超音速飞行过程中，弹头前的空气迅速地被压缩，被压缩空气的压强快速上升一个最大值 Pmax； 空气压缩之后的空间内空气比较稀薄，近似为真空状态，压强迅速下降，短时间内到达一个相应的负压 Pmin，弹丸飞过后，压 强突然相互抵消，恢复正常值P0因此，整个过程冲击波信号波形成“ N”形状，示意图如图。 清华 大学 2020 届毕业论文 13 图 “ N”形波的形成 根据图 和图 ， Pmax与周围正常压强 P0比为： 12 8m a x310 44( 1 )0 .5 3( ) ( )pm iss pdP MP dl   () 式中， pd 为子弹的口径， pl 为子弹的长度， M 是马赫数， misd 为麦克风到弹道的距离。 “ N”波持续时间 T 为： 1431284()1 .8 2()( 1 )pm is spdMdTC lM   （ ） 式 和式 在远场情况下非常有效，由式 和式 ，冲击波信号峰值压强 Pmax和持续时间 T 的比值为： 2m a x 01 .8 20 .5 3 1m is sMdTP C P M   膛口激波 步枪射击时，子弹的火药在窄小的空间内燃烧产生 的高温、高压、高速的爆炸气流将弹丸推出枪膛，当子弹出膛后，喷出枪口的气流形成了膛口激波，以声速从枪口向四周传播。 膛口激波信号近似为球面波，如图 所示；随着传播距离的增加，其强度遭到严重衰减；同时它的频率较低，与冲击波相比，更易受到干扰和噪声的影响。 清华 大学 2020 届毕业论文 14 图 膛口激波的形成 膛口激波携带了射击者方位信息，从麦克风的角度看，如果传播路径中没有障碍物，膛口激波直接从射击者传向麦克风方向。 当射击者与麦克风之间存在建筑等障碍物时，膛口激波就会被遮挡；同时射击者也可以装备消声设备来削弱膛口激波，因此膛口激波不是一个非常稳健的信号。 膛口激波与冲击波不同，其信号强度较弱，频率低。 在冲击波信号之后出现，冲击波的反射波和较大的噪声就可以将膛口激波淹没，特别是麦克风远离射击者的时候。 因此，膛口激波在检测之前要进行必要的处理，目的是抑制或削弱不需要的噪声和干扰，同时提高膛口激波信号的信噪比，以便有 利于信号的检测。 膛口激波信号本身强度较弱，但它有着自身的特点。 冲击波及其反射波能量主要分布在高频，而膛口激波的能量主要集中在约 1 00Hz~600Hz 的低频范围内，接收到的枪声信号经过带宽为 500Hz 左右的带通滤波处理，可以滤除大部分的噪声、冲击波反射波的能量，以消除对膛口激波的干扰。 图 膛口激波时域模型 清华 大学 2020 届毕业论文 15 未经过处理的膛口激波时域波形图如图。 根据模型图对膛口激波的时域特征参数进行分析，获取的特征参数如下： (1) 膛口激波的持续时间 Tm，即点 A~点 E 持续时间。 (2) 正峰上升持续时间 Tmr，即点 A~点 B 持续时间。 (3) 正峰持续时间 Tm1，即点 A~点 C 经历的时间。 (4) 负峰持续时间 Tm2，即点 C~点 E 持续时间。 (5) 正压峰值到负压峰值的持续时间 Tm3，即点 B~点 D 持续时间。 (6) 膛口激波压力最大值 Pmax。 (7) 膛口激波压力最小值 Pmin。 (8) 膛口激波的功率 Pm， Tm持续时间内的信号功率，即： 211 ()mTmnmP x nT  。 (9) 膛口激波正峰值 Tm1 时间内的功率 Pm1： 1 21 111 ()mTm nmP x nT  。 (10) 膛口激波正峰值 Tm2 时间内的功率 Pm2： 2 22 121 ()mTm nmP x nT  。 (11) 膛口激波正峰值 Tm3 时间内的功率 Pm3： 3 23 131 ()mTm nmP x nT  。 (12) 膛口激波冲击波正压上升速率 RUP，即 AB 段幅值上升速率。 表征单位时间内压力上升的大小。 RUP=(PmaxPA)/ Tmr，其中 PA 为点 A 的压强。 上述的 Em与检测环节中数据帧能量 Ed 是有不同的意义的。 Ed 是信号经滤波处理后的能量，是为了检测该数据中是否含有可能的膛口激波信号；而 Pm， Pm1， Pm2， Pm3是未经过滤波处理的信号功率，是过门限检测后进一步对信号的能量进行分析，是待识别信号的原始特征。 [6] 本章小结 本章从声的相关概念出发介绍了声波在大气中的传播规律、声波的传播模型、声波传播过程中的衰减、环境对声波的影响等相关理论，接下来针对该课题介绍了武器中两种特有的声波，即弹头冲击波和膛口基波，为以后的 MATLAB 仿真提供信号源模型。 清华 大学 2020 届毕业论文 16 第三章 声定位原理 利用目标运动时发出的噪声来确定目标的位置，是被动声探测系统测定目标位置的关键技术，系统以被动方式测出目标声音的参数，利用 声程差和传声器阵列的几何关系来确定目标方向和距离。 在声测定位系统中 ,如何有效地提高定位精度是当前研究的热点问题。 声测阵列和时延估计算法的选择是影响定位精度的主要因素 ,因而对声测阵列和时延估计算法的研究成为当前的关键技术。 声测阵列 声测阵列可分为线阵、面阵和立体阵。 在这些阵形中，线阵结构最简单，应用也很广泛，舰艇的声纳系统常用线阵。 对于固定式阵列来说，线阵只能对阵列所在直线为界的半个平面进行定位，否则没有唯一解。 面阵可以在整个平面对目标进行定位，也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位。 立体阵则 可以对整个空间定位，但其算法要复杂得多。 由于声定位系统布置于地面，目标为低空，超低空飞行目标，因此采用平面阵是可行的。 对线阵进行组合，构成面阵，就可以对空间目标进行定位。 由于阵列形式的不同，定位算法性能和精度也大不相同，所以选择一个好的阵形在被动声定位中有着重要的作用。 三维空间中的定位有三个自由度，对应要有三个独立的时延才能得到目标位置，那么至少需要四个传感器才能实现对空间目标的定位。 现使用的试验系统中主要采用的有平面四元阵、立体四元阵和立体五元阵。 考虑到定位要求及其快速性，对于该课题的情况采用平面阵作为 定位阵列较为适宜。 由于十字形阵列具有分维特性 (指二维参量可分开估计 )，且阵列冗余度也较小，因此，本课题采用平面四元十字阵作为定位阵列。 对十字形声传感器阵列，可建立如图 所示的直角坐标系。 四个阵元的坐标分别为 S1(D/2， 0， 0)， S2(0， D/2， 0)， S3 (D/2， 0， 0)， S4 (0， D/2， 0)，设目标声源的直角坐标为 (x， y， z)、球坐标为 (r， ， )，即目标到坐标原点的方位角为 ，俯仰角为,D 为十字阵对角线阵元之间的距离。 清华 大学 2020 届毕业论文 17 假设目标为点声源，目标产生的声源以球面波的形式向外传播，声源到达阵元 S1的传播时间为 t1，相对于 S1声源到达阵元 S2， S3， S4的时延分别为 、 、 。 目标到坐标原点的距离为 R，俯仰角为  ( 0  90176。 )，方位角为  ( 0  360176。 )与时延 、、 及阵元间距 D的关 系式可推导如下： (设 C为声速 ) (xD/2)2+y2+z2=(Ct1)2 x2+(yD/2)2+z2=(Ct1+C(x+D/2)2+y2+z2=(Ct1+C13)2 x2+(y+D/2)2+z2=(Ct1+C14)2 球坐标和直角坐标之间的互化为 x=rsincos y=rsinsin z=rcos求解方程消去 x,y,z可得出目标、方位角和俯仰角信息 [8] 时延估计算法 时延估计概述 所谓时间延迟，简称时延，是指在阵列被动定位中，不同接收器 所接收到的信号的同。