雷 鳴 陳祥杰

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)

影響五元十字陣聲學(xué)定位精度因素分析*

雷 鳴 陳祥杰

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)

在空中炸點(diǎn)定位算法中,平面五元十字陣模型及其基于TDOA原理的被動(dòng)聲定位算法憑借其設(shè)計(jì)方便、成本低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用,但是該模型也存在一定的缺陷,論文主要對(duì)影響五元十字陣定位精度的因素進(jìn)行分析,為被動(dòng)聲定位算法的改進(jìn)提供重要的理論依據(jù)。

空中炸點(diǎn); 五元十字陣; 被動(dòng)聲定位算法; 誤差分析

Class Number TP301

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,信息化戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭(zhēng)模式,成為現(xiàn)代作戰(zhàn)的主要手段,這就對(duì)從戰(zhàn)爭(zhēng)中獲取信息的實(shí)時(shí)性和可靠性有著更高的要求。聲探測(cè)定位技術(shù)以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于軍事及民用中。近年來,平面五元十字陣在測(cè)量空中炸點(diǎn)定位的領(lǐng)域占有重要的地位,但是實(shí)驗(yàn)證明,平面五元十字陣在使用過程中有很大的缺陷,本文主要針對(duì)該算法在公式使用過程中存在的問題以及影響定位精度的因素進(jìn)行分析,為被動(dòng)聲定位算法的改進(jìn)提供重要的依據(jù)。

2 五元十字陣模型及其算法

五元十字陣模型的提出主要是為了克服四元十字陣聲定位算法定位精度容易受目標(biāo)方位角影響的問題,其模型如圖1所示,其中以傳聲器O作為坐標(biāo)原點(diǎn),傳聲器A、B、C、D均在坐標(biāo)軸上,且與中心點(diǎn)的距離均為d,設(shè)爆炸點(diǎn)的位置為P(x,y,z),那么各傳感器到P點(diǎn)的距離分表為RO、RA、RB、RC、RD。根據(jù)TDOA原理以及傳聲器之間的集合關(guān)系可得如下方程組:

(1)

(2)

(3)

結(jié)合以上三個(gè)方程組,通過推導(dǎo)可得:

(4)

3 初始時(shí)刻的驗(yàn)證

由式(4)可以看出,聲定位的精度取決于時(shí)間差,但是該算法存在一個(gè)漏洞,即當(dāng)tAO+tCO-tBO-tDO=0時(shí)該算法不可行,此時(shí)就需要知道炸點(diǎn)爆炸瞬間的初始時(shí)刻,為了驗(yàn)證該算法是否需要初始時(shí)刻,令tAO+tCO-tBO-tDO=0進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合方程組(1)、(2)、(3)經(jīng)計(jì)算推導(dǎo)可知,有兩種情況下可以使得tAO+tCO-tBO-tDO=0,即在z軸上以及|x|=|y|,此時(shí)的計(jì)算公式如下:

圖1 五元十字陣結(jié)構(gòu)圖

1) 在z軸上面時(shí),x=y=0,z=ct；

2) 當(dāng)|x|=|y|時(shí)

(5)

通過以上兩種情況的推導(dǎo)過程,可以看出這兩種情況下是需要初始時(shí)刻的,而計(jì)時(shí)模塊無法精確地提供炸點(diǎn)爆炸瞬間的初始時(shí)刻,所以該平面五元十字陣定位算法在這兩種情況下無法實(shí)現(xiàn)有效的定位。

4 影響聲定位精度的主要因素

4.1 聲速對(duì)定位精度的影響

在五元十字陣被動(dòng)聲定位算法中,聲速對(duì)定位精度的影響不容忽視,而我們一直將聲速當(dāng)做一個(gè)固定量c=340m/s,但是在現(xiàn)實(shí)情況下,聲速受到很多外界因素的影響,而且其變換比較大,所以首先要對(duì)聲速進(jìn)行分析和處理。

4.1.1 溫度對(duì)聲速的影響

在實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境中,空氣壓強(qiáng)、密度、溫度、風(fēng)速等對(duì)其都有一定的影響,在大氣中聲速為壓力p,密度ρ0,比熱比γ=Cp/Cv的函數(shù)：

Effects of metals in cosmetics on human health(To be continued) 1 10

(6)

式中t表示攝氏溫度,常用的c=340m/s是在國際標(biāo)準(zhǔn)大氣特性下,溫度為15℃情況下的聲速。

(7)

則由溫度變化一起的測(cè)時(shí)誤差為

(8)

4.1.2 風(fēng)速對(duì)聲速的影響

風(fēng)速對(duì)聲波傳播的影響是明顯的,可以通過對(duì)任意兩個(gè)相鄰傳聲器Mi、Mi+1的分析來說明風(fēng)速對(duì)定位精度的影響,風(fēng)速修正圖如圖2所示。

圖中假定聲波的傳播速度為c,聲波在傳聲器Mi、Mi+1間傳播時(shí)間為t0。無風(fēng)時(shí),以聲源到第i個(gè)傳聲器的傳播時(shí)間為ti=Di/c。倘有風(fēng)速ω存在,在時(shí)間ti內(nèi)使聲源移動(dòng)Dω=ω·ti=ω·Di/c。由于聲速ω,聲源相當(dāng)于(x′,y′),這時(shí)

(9)

圖2 風(fēng)速修正圖

則有:

(10)

因風(fēng)速的存在引起的時(shí)間誤差Δtw：

(11)

由圖2可知

(12)

從而

(13)

所以:

(14)

4.1.3 聲速標(biāo)定

根據(jù)以上分析,可以看出聲速對(duì)定位精度的影響是不容小覷的,所以在每次試驗(yàn)之前非常有必要測(cè)出當(dāng)前環(huán)境下的聲速,為此,本文設(shè)計(jì)出了聲速標(biāo)定裝置,其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其工作原理如下:在某一位置放置一個(gè)聲源,在距其一定的位置處放置一個(gè)聲宿裝置,然后利用激光探測(cè)儀精確地測(cè)出兩點(diǎn)之間的距離L,利用距離L以及收發(fā)聲信號(hào)的時(shí)間差t,就可求出聲速c1。但是為了進(jìn)一步提高聲速的精度,可以使用滑動(dòng)槽將聲宿裝置向前滑動(dòng)一定的距離,測(cè)出此時(shí)的距離L1以及時(shí)間差t1,同時(shí)也可以求出此時(shí)的聲速c2。按此方法多次進(jìn)行測(cè)量,然后對(duì)每次求出的聲速進(jìn)行加權(quán)平均,最終求出當(dāng)前狀態(tài)下的聲速c。

圖3 聲速標(biāo)定裝置原理圖

4.2 計(jì)時(shí)對(duì)定位精度的影響

五元十字陣模型的定位算法是基于TDOA原理的,而且計(jì)算得出的定位參數(shù)都與時(shí)間差密切相關(guān),所以計(jì)時(shí)模塊的時(shí)間讀取直接決定著定位的精度,所以該系統(tǒng)對(duì)計(jì)時(shí)的精度有著較高的要求,而實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常使用示波器讀取波形之間的時(shí)間差,該方法已經(jīng)無法達(dá)到系統(tǒng)對(duì)計(jì)時(shí)精度的要求,所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,選取計(jì)時(shí)精度較高的stm32單片機(jī)作為主控芯片,系統(tǒng)的定時(shí)精度可以達(dá)到10μs,此時(shí)的理論誤差應(yīng)為3.4mm,但是在實(shí)際情況下,影響計(jì)時(shí)的因素很多。

4.3 聲傳感器對(duì)定位精度的影響

本文使用了五個(gè)駐極體式聲音傳感器,在性能上不能完全保持一致,尤其在聲傳感器的溫度漂移上存在一定差異,導(dǎo)致聲傳感器引起實(shí)驗(yàn)誤差,駐極體式聲傳感器自帶隨機(jī)噪聲信號(hào),且無法對(duì)其校零,使得接收到的聲源聲音信號(hào)有微弱的失真。另一方面,當(dāng)炸點(diǎn)聲源與聲傳感器距離較遠(yuǎn)時(shí),信號(hào)聲壓較弱,聲傳感器自身的隨機(jī)噪聲會(huì)與聲源噪聲信號(hào)相混淆,對(duì)有效信號(hào)探測(cè)造成誤差。

4.4 信號(hào)傳輸過程中的誤差

五元十字陣的整個(gè)系統(tǒng)可以分為五個(gè)模塊:信號(hào)采集模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、單片機(jī)計(jì)時(shí)模塊、電源模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊。該系統(tǒng)的工作原理如下,當(dāng)聲傳感器采集到聲信號(hào)之后,首先經(jīng)過聲電轉(zhuǎn)換將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后經(jīng)由傳輸線傳送給信號(hào)預(yù)處理模塊,信號(hào)預(yù)處理模塊將信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整流、比較后,將比較后的高低電平信號(hào)傳輸給單片機(jī)計(jì)時(shí)模塊,控制計(jì)時(shí)的停止,最后將單片機(jī)計(jì)時(shí)模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)由串口傳輸給上位機(jī),由上位機(jī)顯示出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),便于讀取。

通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作流程可以看出,從采集到的聲信號(hào)到最終的數(shù)據(jù)顯示主要經(jīng)過幾層的數(shù)據(jù)傳輸和處理,所以該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸也有著較高的要求。信號(hào)在傳輸過程中的失真甚至丟失對(duì)最終的定位也有著一定的影響。尤其是在聲信號(hào)采集模塊與信號(hào)預(yù)處理模塊之間的傳輸,雖然在此過程中選用了屏蔽效果較好的傳輸線,屏蔽了一定信號(hào)干擾,但是不可避免地也會(huì)存在一定的干擾因素,這些干擾因素以及長距離的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生一定的失真甚至是丟失,另外數(shù)據(jù)在串口中傳輸速率存在一定延時(shí),導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,造成位置測(cè)量不準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

本文主要對(duì)影響定位精度的因素進(jìn)行了分析,由以上分析可見,該平面五元十字陣被動(dòng)聲定位算法存在一定的缺陷,當(dāng)目標(biāo)方位角位于|x|=|y|以及z軸上時(shí),該定位算法不可行,此時(shí)需要提供炸點(diǎn)爆炸的瞬間時(shí)刻,另外影響定位精度的因素很多,其中主要有聲速、溫度、風(fēng)速等,這就為被動(dòng)聲定位算法的改進(jìn)提供了重要的理論依據(jù)。

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Analysis of Factors Affecting Acoustic Positioning Accuracy of Five Element Cross Array

LEI Ming CHEN Xiangjie

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

In the aerial blast point positioning algorithm, planar five element cross array model and passive acoustic localization algorithm based on TDOA with the convenience of the design, low cost, high precision positioning are widely used, but the model also exist some defects. This paper mainly analyzes the film ring of five element cross array positioning accuracy factors, provides an important theoretical basis for the improvement of passive acoustic localization algorithm.

aerial blast points, five element cross array, acoustic passive localization algorithm, error analysis

2016年9月13日,

2016年10月21日

雷鳴,男,碩士,副教授,研究方向:測(cè)控技術(shù)與通信技術(shù)。 陳祥杰,男,碩士研究生,研究方向:信號(hào)處理,通信與信息系統(tǒng)。

TP301

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.004