基于被动声信号解算方法的高速目标轨迹测量_孙贵新.pdf

测试与故障诊断计算机测量与控制 （）收稿日期：；修回日期：。作者简介：孙贵新（），男，辽宁大连人，硕士研究生，副总师，主要从事靶场测量方向的研究。通讯作者：于文彬（），男，山东济南人，博士研究生，副研究员，主要从事海上测量方向的研究。引用格式：孙贵新，于文彬 基于被动声信号解算方法的高速目标轨迹测量 计算机测量与控制，（）：，文章编号：（）：中图分类号：文献标识码：基于被动声信号解算方法的高速目标轨迹测量孙贵新，于文彬（中国人民解放军 部队 所，辽宁 大连 ；上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 ）摘要：声学测量作为新一代外场测量系统的重要组成部分，为实现全天候、全地形下目标的有效轨迹测量起到重要作用；现有外场测量系统多依靠光、雷达等手段对目标进行定位追踪，轨迹测量，但光学轨迹测量精度极易受自然光线的影响，而雷达轨迹测量精度易被复杂电磁环境干扰，无法实现所有时段各类目标的轨迹测量；文章所提出的声学轨迹测量方法，对于超音速目标其测量精度优于，对于高亚音速目标测量精度优于；声学测量手段的出现弥补了外场观测手段的空缺，极大程度丰富了外场的观测维度。关键词：外场；声学测量；系统架构；轨迹解算 ，（，；，）：，：；引言脱靶量测量是武器系统鉴定中不可缺少的一项重要指标，是外场试验的核心测试参数。尤其对于新一代外场，高速目标呈现出命中精度不断提高、速度不断提升、射速不断加快、全天候等趋势，这给高速目标脱靶量的检测评估带来极大挑战，主要体现在个主要方面：需要更高的目标脱靶量检测效率、需要更准确全面地测量目标攻靶信息、需要满足全天候测试的要求。常用的脱靶 量 测 量 技 术 方 法 有：靶 板 法、无 线 电 技术、天幕靶技术、光学测量方法、测量方法等技术方法。靶板法即传统的人工测量方法，存在着准确性低、强度大、实时性差、效率低、危险性高且无法测量连续多个目标的不足；虽然光学、电磁波都能对目标攻靶过程的末段飞行和落点进行观测，每种技术手段各有优势和短板，没有任何一种单一手段能够实现对高速目标攻靶的全天候高精度观测评估，具体来说，基于光学的测量方法在一定程度上，系统具有组成相对简单、成本较低、测量精度较高、分辨率高等优点，但很难适用于夜间和雨雪天气，而且无法满足大范围、远距离场景下对精度的要求；对于无线电技术，虽然其定位精度高，自动化程度高，但只适用于特定范围，例如由于地面或者海面反射波的干涉作用造成盲区，从而使无线电技术失效；红外和微波等观测手段受雨雪等天气的影响也很严重。而声学场方面，由于对电磁干扰、雨雪及夜间能见度等因素不敏感，且观测范围大、成本低廉、体积较小等优点。因此，可满足在不同环境下对不同种类和目标的动态飞行轨迹脱靶量的高精度和高准确率的测量观测，弥补恶劣环境下观测维度不足的劣势。基于声学原理的声探测技术，是利用声学基阵接收目标的声特征，利用方位、时延等信息实现目标的脱靶量测量，因其特有的优点，现阶段存在大量基于声学原理的脱投稿网址：计算机测量与控制第 卷靶量测量研究成果。文献 中根据超音速目标特有的激波到达时间，提出基于时间梯度和波前方向矢量的目标测量方法，实现超音速目标位置估计的同时，给出了速度的估计方法，最后通过仿真实验验证算法的有效性，但该算法的有效性是在较大范围内布设多个测量基站（基站间间隔为）为前提，这在实际较小几何尺度的靶船试验场景难以实现；文献 中利用声学测量受天气等因素影响小的优势，利用声学基阵采集的声特征实现目标测量，弥补预警雷达失效或精度低时的目标测量，但该方法存在解算模型不明确以及解算精度未进行理论分析的不足 ；另一方面由于声学基阵是保证声学测量精度的基础，因此，对声基阵的研究十分必要，对此研究人员根据不同测量需求及外场场景设计了四元阵 、五 元平 面阵、五元空间阵、正四棱锥阵、七元空间声阵、型靶 等阵型，并在此基础上给出相应的解析解，但在实际外场试验中，场景或者待测量目标往往并不唯一，因此不具备广泛适用的能力。针对现有方法的不足，结合高速目标和新一代外场试验场景特殊要求，本文提出了基于声学的轨迹测量方法，实现高速目标轨迹跟踪，仿真试验验证了对超音速目标其测量精度优于，对高亚音速目标测量精度优于。提出的测量框架弥补了外场观测手段的空缺，同时极大程度丰富了外场观测维度。系统架构声学轨迹测量系统主要由轨迹测量子系统、数据采集与存储子系统、地面显控子系统个部分组成，实现了各类目标信号高采样率采集、处理和存储，前端探测节点状态等信息实时更新，事后轨迹解算结果的直观显示。系统框架具体如图所示。图声学轨迹测量系统架构图如图所示，对于轨迹测量子系统，其中各声学基阵用于采集目标经过空气产生的摩擦声，采集的声信号也会因目标的外形、速度等不同而具有不同的特征，采集的声信号用以作为目标轨迹解算的数据源；气象测量单元用于测量不同任务场景下的气象数据，如风向、风速、温度和湿度等，实现对环境的准确描述以提升目标测量精度；信号采集与处理单元，通过信号调理模块实现多路声信号的滤波、放大、（，）转换，其中滤波是通过 带通滤波器完成带外噪声的滤除以及外界电磁高频噪声，模块实现将采集的声模拟信号转换为电信号，其转换精度影响目标测量精度，综上，通过信号调理模块完成信号的采集与转换，去除或分离声信号中所含背景噪声或干扰分量。数据采集与存储子系统对各探测节点预处理数据、状态信息、测量信息的读取、存储和转发，其中对于存储介质的选取，需要具有存储容量较大、尺寸较小、防震防摔等优点，以提高系统在工作时的环境适应能力。地面显控子系统内含声学轨迹的解算算法和显示界面，实现地理信息的三维可视化显示，目标轨迹的实时显示，节点状态与相关信息的查看，而且，地面显控子系统包含通信基站，实现相关指令的下达和数据抓取，另外，地面显控子系统实时监测系统状态及异常行为，试验或仿真测试中所有操作及命令记录日志，为事后查看相关实验流程提供方便。实现过程 目标轨迹测量声学基阵目标轨迹测量声学基阵主要由一定数量的声学基阵按照一定空间几何形状排列而成，主要参数包括各声学基阵内部参数、声学基阵数目、声学基阵间间距。目标轨迹测量声学基阵的阵型设计原则是，根据外场试验场景及测量任务，采用最少的声学基阵实现较高的目标测量精度。本文拟采用五条声学基阵，具体排布结构示意图如图所示。声学基阵、和五条阵按图中几何位置布放，对应的直角坐标分别为（，）、（，）、（，）、（，）和（，），其中为声学基阵阵间的距离。图声阵列布阵示意图对于每个声学基阵，是由声传感器阵列组成，声传感器阵列主要参数为声传感器数目、阵列孔径大小、声传感器阵元间距及其空间分布形式等。根据外场场景尺度不同和测量任务不同，常见的声传感器阵列结构主要有线列阵、平面阵和立体阵等。其中，线列阵结构简单，设计容易，计算难度小，但目标的空间定位效果不佳，且在没有先验信息的情况下具有左右舷模糊的不足。平面阵列计算量适投稿网址：第期孙贵新，等：基于被动声信号解算方法的高速目标轨迹测量中，可用于对目标的平面和空间定位；立体阵列空间定位效果良好，但结构较为复杂，且计算量较大。在本文中，考虑到外场试验场景、任务需求，以及硬件系统主要基于 （，）完成，且方位角和距离因素对目标测量的精度影响更为重要，故从硬件和环境因素出发，选用平面五元阵，可实现目标的平面和空间定位。声传感器阵列间距是由目标声信号的线谱频率、波长关系等确定，计算公式为：（）式中，为声波波长，其取值范围为 ；为声音传播速度；为信号频率。若假设声信号在空气中的传播速度为 ，为确保不出现目标模糊，可得声传感器阵元间距的取值应小于 。可根据目标声信号的主频率与基阵阵列间距的关系式确定阵元间距。总体上说，阵列的孔径越大，定位效果越好。具体应用时，需综合定位功能、便捷性和性价比等综合考虑。声阵列装置包括支架、一个或多个直线传声器阵列单元及其附件等。其中，传声器阵列单元包括圆管及其安装座、传声器安装座、传声器和防风球等，属于结构可调伸缩式设计模式。具体来说，传声器固定在传声器安装顶部中心孔内，传声器安装座底部与圆筒顶部同轴螺纹相连，圆筒底部通过圆筒安装座进行安装。同时，支架外表面包裹吸声材料，且高度可调。可综合任务场景地质条件、气象条件、运输、及可操作性等因素进行选材和结构设计。同时，为确保声阵列长时间户外工作的可靠性，还将在声阵列上配备安装避雷针和浪涌保护器，以保护目标轨迹测量系统在户外能长时间的正常运行。轨迹测量声阵列示意图如图所示。图轨迹声阵列示意图 信号采集与处理信号采集与处理是本系统中用于完成超音速和高亚音速目标的脱靶量测量的第一阶段的工作，即目标在空中飞行时与空气摩擦时产生的声信号的采集和预处理，其主要包括顶层软件模块、声信号采集软件模块、声信号预处理模块、数据存储模块等，信号采集与处理结构示意图如图所示。图信号采集与处理示意图由图可知，信号采集与处理中的顶层模块是整个声学轨迹测量系统的入口；声信号采集软件模块通过动态信号采集卡完成对声信号的采集，然后经工业硬盘完成对采集数据的存储，供后续分析处理使用；声信号预处理模块基于内嵌算法对采集的声信号中的干扰分量及背景噪声等进行滤除或分离，下面进行具体介绍。信号采集软件信号采集工作主要在采集卡上实现，工作状态下的数据采集软件流程图如图所示，此处，首先动态信号采集卡处于等待状态，当接收遥控指令后，开始工作完成初始化及状态自检，无误后等待接收外部触发信号，接收到触发信号后进行声信号的存储及预处理。图数据采集流程图 声信号处理对于目标在最后攻靶段与空气摩擦产生的声信号，声学基阵采集到的是带噪声信号，为实现背景噪声或干扰分量的去除或分离，本文拟采用滤波、经验模态分解（投稿网址：计算机测量与控制第 卷 ，）算法和小波阈值相结合的处理方法，其中滤波是由硬件系统完成，即通过 带通滤波器完成指定频带外的噪声滤除以及外界电磁高频噪声。对于算法，其核心是将非线性、非平稳的原始信号分解为一系列表征原信号某一频带或某一尺度的本征模态函数（，）的组合，令瞬时频率在 上存在一定的物理意义。另一方面，由于 分解具备正交性和完备性的数学性质，使得分解得到的一系列 分量不仅能够保留原始信号的特征信息，并可以按一定准则重构原始信号。因此，相比于直接处理原始的非线性、非平稳信号，处理经分解得到的一系列 分量，在提高计算效率的基础上，还能够避免直接处理原始信号造成的信息缺失及特征分析中的人为因素干扰，提升原始信号去噪的客观性。数据采集与存储靶区数据采集与存储子系统，用于采集和存储轨迹测量声阵列、目标轨迹测量声阵列和气象测量单元的状态信息、量测信息等；同时将各个探测节点的状态信息（含全球 导 航 卫 星 系 统（，）时间位置信息）等的存储和转发，因此据采集与存储子系统具备声信号、震动、气象等测量数据及各个声学基阵的探测节点预处理数据、状态信息、测量信息的读取、存储和转发功能。对于各探测节点测量数据、状态信息和测量信息，根据“容器化微服务”架构要求，进行数据清洗和整合，将各非结构化的原始数据转化为结构化数据，方便后续数据的快速准确调用。在存储数据前需要进行数据预处理，具体来说包括对震动数据、气象数据的预处理，以及目标声信号原始波形滤波、信号检测、直流偏置去除、插值与拟合等。地面显控地面显控主要是根据处理后的声信号实现目标轨迹解算，并实现解算结果的实时显示。超声速或高亚音速目标的轨迹声信号解算包括两个部分：单个声学基阵接收的声信号对目标声源的时变方位信息解算或声强极值点解算、和基于空间信息的目标运动轨迹解算。超音速目标和高亚音速目标轨迹解算示意图分别如图和图所示。此处，以个声阵列为例进行说明。对超音速飞行的目标来说，其处理思路为利用各个声阵列接收的信号实时解算目标相对于阵列的方位，然后根据不同阵元获得的方位量测值，进而利用多面交汇的方式获得目标运动轨迹。对高亚音速飞行的目标来说，主要是利用各个声阵列接收的声强极值点来分别估计目标运动轨迹的垂线方向，通过计算多个垂线的向量积实现对目标运动方向的估计，进而利用多面交汇的方式获得目标运动轨迹。对于方位估计，根据测向原理，传声器阵列的测向算