張亞輝， 游 江， 王明啟， 劉鵬祖， 馮 松， 盧小汐

(中國(guó)人民解放軍63870部隊(duì)， 華陰 714200)

多彈丸是指單炮連發(fā)射擊彈丸、多炮齊射彈丸、子母式彈丸的子彈藥等。作用情況判定是指判定并統(tǒng)計(jì)多彈丸中彈丸作用的數(shù)量，如果是實(shí)彈真引信彈丸,則是彈丸爆炸的數(shù)量，與射彈量的差則為未爆彈數(shù)量,對(duì)瞎火彈銷毀尤為重要；如果是假?gòu)椪嬉?，則統(tǒng)計(jì)彈丸引信作用的數(shù)量,對(duì)武器系統(tǒng)鑒定至關(guān)重要。多彈丸特別是集束彈藥在試驗(yàn)、訓(xùn)練和戰(zhàn)爭(zhēng)中存在大量的未爆彈藥，造成事后嚴(yán)重人道主義傷害問題[1-2]。各國(guó)已達(dá)成部分共識(shí)降低其危害[3]，但措施和方法仍受限于測(cè)試、控制技術(shù)，測(cè)試判定其作用情況是事后銷毀降低危害的前提。隨著實(shí)戰(zhàn)化演習(xí)開展，武器彈丸作用情況直接關(guān)系著打擊效果的綜合判定，且影響著后續(xù)任務(wù)的安全，工作量大，緊迫性強(qiáng)。

目前，單發(fā)彈丸的作用情況判斷相對(duì)簡(jiǎn)單，發(fā)展較為成熟，可以運(yùn)用光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)拍攝其爆炸火光[4]；也可以運(yùn)用雷達(dá)探測(cè)，爆炸時(shí)產(chǎn)生的煙、塵、揚(yáng)土等可以被雷達(dá)探測(cè)[5]；還可以根據(jù)爆炸聲能量、頻譜等特性判斷彈丸是否作用[6-7]。然而，在多彈丸作用情況判定過程中，爆炸后煙或塵土大，前后遮擋，光學(xué)測(cè)試設(shè)備和雷達(dá)難以判定其整體作用情況。因此，急需開展多彈丸作用情況判定算法研究以及系統(tǒng)開發(fā)。

目前，中外很多有關(guān)彈丸爆炸聲學(xué)測(cè)試技術(shù)：高根偉等[8-9]通過采用單基陣，提出了全天候炮彈炸落點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)炸點(diǎn)快速、精準(zhǔn)定位；董明榮等[10]通過采用多基陣聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)了空中炸點(diǎn)定位。目前爆炸聲測(cè)研究主要集中在彈丸爆炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)試方面，并且以單發(fā)為主，只能依靠人工統(tǒng)計(jì)爆炸波形，判定多彈丸作用情況，效率低、人力物力資源消耗大，且對(duì)于連發(fā)齊射彈丸統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率較低。

因此，為了解決上述問題，首先分析多彈丸爆炸或引信作用時(shí)的聲學(xué)特性；其次，設(shè)計(jì)基于傳聲器陣的多彈丸作用情況判定聲波采集系統(tǒng)，提出一種對(duì)彈著區(qū)進(jìn)行區(qū)域傳聲器布陣的方法和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)采集流程；再次，提出了包含頻域?yàn)V波、時(shí)域分割、聲波波達(dá)角估計(jì)及信號(hào)空域分解的一整套信號(hào)處理方法；最后，根據(jù)分解得到的聲波信號(hào)和彈丸爆炸聲波特性判斷彈丸爆炸數(shù)量。為彈丸作用率計(jì)算、毀傷效應(yīng)評(píng)估和未爆彈銷毀提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 地面多彈丸爆炸聲波時(shí)域特性

連發(fā)彈丸的爆炸聲信號(hào)可等價(jià)于單目標(biāo)信號(hào)的線性疊加。多彈丸在很短的時(shí)間內(nèi)密集爆炸，聲波傳輸?shù)絺髀暺鲿r(shí)會(huì)發(fā)生時(shí)序混亂和疊加，其中疊加是造成爆炸聲數(shù)量不易判斷的主要因素。

1.1 聲波信號(hào)疊加

彈丸爆炸聲波常常會(huì)持續(xù)數(shù)十毫秒，不同位置和時(shí)刻彈丸爆炸的聲波可能在同一或非常接近的時(shí)刻到達(dá)傳感器，它們的聲波在空間上會(huì)產(chǎn)生疊加，2個(gè)傳聲器采集到4個(gè)爆炸目標(biāo)的聲信號(hào),如圖1所示。

因?yàn)樾盘?hào)疊加不易區(qū)分爆炸聲波數(shù)量。當(dāng)彈丸數(shù)量更多，聲波信號(hào)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)候，以上情況更加嚴(yán)重。

1.2 時(shí)序混亂的分析

先爆炸的彈丸聲波信號(hào)可能因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)后到達(dá)傳聲器。如圖2所示，A、B兩點(diǎn)的彈丸同時(shí)爆炸；C、D兩點(diǎn)為測(cè)試中兩個(gè)傳感器的位置。

圖1 某4連發(fā)彈丸聲波信號(hào)Fig.1 Sound signals of four automatic firing of a certain type projectile

圖2 炸點(diǎn)與傳感器位置示意圖Fig.2 Explosive point and sensor position location diagram

根據(jù)空間關(guān)系：對(duì)于傳聲器C先有A的聲波再有B的聲波；對(duì)于傳聲器D則相反。如果沒有信號(hào)時(shí)序混亂問題，可以在不同位置布設(shè)多個(gè)傳聲器，根據(jù)波達(dá)時(shí)刻直接計(jì)算彈丸爆炸點(diǎn)位置，從而有益于判斷彈丸爆炸數(shù)量，時(shí)序混亂致使問題進(jìn)一步復(fù)雜。

2 聲傳感器布站及測(cè)試流程

進(jìn)行多彈丸作用情況判定的目的是為了快速有效地估計(jì)出彈丸作用率，為武器系統(tǒng)效能評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐；另外，根據(jù)作用情況判定結(jié)果和射彈數(shù)可以獲知未爆彈數(shù)目，為后續(xù)的搜索、銷毀工作提供支持和指導(dǎo)。

2.1 判定原理

判定時(shí)域聲波信號(hào)中彈丸爆炸聲數(shù)量時(shí)，能夠判定聲波中至少有一個(gè)彈丸爆炸聲是其基礎(chǔ)。彈丸爆炸是能量在短時(shí)間、小空間內(nèi)迅速膨脹釋放的過程。在使用聲傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，信號(hào)的時(shí)域、頻域分布都具有顯著的特征[11]。爆炸信號(hào)的四個(gè)時(shí)頻特征參數(shù)：①爆炸聲波信號(hào)時(shí)域表現(xiàn)為短時(shí)多脈沖，主脈沖的上升時(shí)間約為10 ms，信號(hào)持續(xù)時(shí)間約為100 ms；②常見火炮的爆炸聲波主頻在10～180 Hz；③信號(hào)能量在釋放傳遞的過程中，持續(xù)震蕩衰減，因此采集的信號(hào)包絡(luò)呈現(xiàn)出單邊下降的規(guī)律；④能量量級(jí)。相同類型彈丸爆炸產(chǎn)生的聲波能量基本一致。通過人工或采用信號(hào)處理計(jì)算特征參數(shù)的方法，符合以上四個(gè)特點(diǎn)及文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)的，即存在相應(yīng)試驗(yàn)彈丸爆炸聲波。

多彈丸聲波數(shù)據(jù)中包含爆炸聲波數(shù)與總射彈量的比值即為作用率。設(shè)計(jì)一套遠(yuǎn)程陣列傳聲器聲波采集系統(tǒng)和相應(yīng)的聲波信號(hào)處理、分解方法，再結(jié)合人工判定方法計(jì)數(shù)被分解的聲波信號(hào)中爆炸彈丸的數(shù)量，從而達(dá)到多彈丸作用情況判定及作用率計(jì)算的目的。方法的核心在于信號(hào)的處理、分割和分解，它可以將一段疊加嚴(yán)重的聲波數(shù)據(jù)通過時(shí)域分割分段、空域?yàn)V波分解的方法分為若干個(gè)獨(dú)立的聲波數(shù)據(jù)，在這些獨(dú)立的聲波數(shù)據(jù)中，彈丸爆炸聲波的數(shù)量將顯而易見。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)及傳聲器布站方法設(shè)計(jì)

基于傳聲器陣列的多彈丸作用情況判定系統(tǒng)組成及布站如圖3所示。該系統(tǒng)包括1個(gè)測(cè)試分站和1個(gè)中心站。測(cè)試分站由4個(gè)或4個(gè)以上傳聲器、同步數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)、無(wú)線網(wǎng)橋等組成。中心站由計(jì)算機(jī)、無(wú)線網(wǎng)橋等組成。由于爆炸聲信號(hào)強(qiáng)烈，所以選擇靈敏度相對(duì)較低、動(dòng)態(tài)范圍上限較高的傳聲器，否則信號(hào)可能失真，影響信號(hào)處理與分辨；同步數(shù)據(jù)采集卡采集位數(shù)要求≥24位，每路采集頻率≥10 kHz，這些主要都是為了信號(hào)能有一個(gè)較好的分辨率。

圖3 測(cè)試設(shè)備布陣Fig.3 Test equipments arrangement

測(cè)試設(shè)備布站方法：在理論落區(qū)一側(cè)布置測(cè)試分站，測(cè)試分站傳聲器均勻布置成規(guī)則形狀。鑒于靶場(chǎng)立靶彈著點(diǎn)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)多為“一”字形布設(shè)，考慮到測(cè)試設(shè)備的通用性問題，此處仍然可以沿用“一”字形布陣，傳聲器間距d一般在1～20 m。數(shù)據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)爆炸區(qū)域在傳聲器陣一側(cè)，并且距離傳聲器陣超過100 m時(shí)，“一”字形、四邊形、五邊形……圓形以及立體布陣均能較好地實(shí)現(xiàn)爆炸信號(hào)分辨；當(dāng)爆炸彈丸不在傳聲器陣一側(cè)時(shí)，“一”字形不易區(qū)分，其他布陣方法有效。

彈丸落區(qū)一般為一個(gè)橢圓形，參照?qǐng)D3，測(cè)試分站布置在橢圓形外側(cè)，最好選在橢圓短軸延長(zhǎng)線附近，距離橢圓心一般為1～3倍橢圓短軸。本方法是在聲波信號(hào)時(shí)域分析、分割的基礎(chǔ)上加入了空域分析、分割，這里的空域主要指爆炸點(diǎn)相對(duì)于傳聲器的方向?；谶@個(gè)理論，不難發(fā)現(xiàn)：①傳聲器布置在橢圓短軸一側(cè)，橢圓區(qū)域?qū)τ趥髀暺麝?，覆蓋方向越大，在同樣多彈丸大致均勻散布情況下，信號(hào)在角度上越容易分辨；②傳聲器陣布置在爆炸區(qū)域中間，彈丸爆炸點(diǎn)在傳聲器周圍360°散布，聲波信號(hào)來(lái)向上更易分辨，考慮設(shè)備安全問題，一般不這樣布設(shè)，另外，傳聲器距離落彈區(qū)太近時(shí)，不同距離爆炸彈丸在傳聲器處的聲壓級(jí)區(qū)別太大，不易處理信號(hào)判斷彈丸爆炸與否。

2.3 數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)采集流程步驟如下：

(1)調(diào)試設(shè)備：測(cè)試分站無(wú)人值守，中心站操作人員打開測(cè)試系統(tǒng)軟件發(fā)送命令給測(cè)試分站并設(shè)置采集參數(shù)時(shí)間：采集頻率10～100 kHz每路，采集位數(shù)24位，確保設(shè)備正常無(wú)故障時(shí)即可等待開炮。

(2)炮位開炮：炮位開炮前發(fā)送命令進(jìn)入采集狀態(tài)，測(cè)試分站實(shí)時(shí)同步采集存儲(chǔ)各路聲信號(hào)，并通過無(wú)線網(wǎng)橋發(fā)送聲信號(hào)數(shù)據(jù)到中心站。

(3)結(jié)束采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：彈丸作用完畢后，結(jié)束采集，同時(shí)中心站存儲(chǔ)各路聲信號(hào)數(shù)據(jù)，設(shè)為H1(t)、H2(t)、…、Hn(t)(n為傳聲器個(gè)數(shù))。

(4)處理信號(hào)判定彈丸作用情況。

3 信號(hào)處理及作用情況判定

系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)特征分析的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：聲信號(hào)的降噪與增強(qiáng)技術(shù)、聲波信號(hào)的分割技術(shù)、聲波信號(hào)陣列方向圖生成和波達(dá)角估計(jì)技術(shù)、聲波信號(hào)的空域?yàn)V波及分解技術(shù)。

3.1 聲信號(hào)的降噪與增強(qiáng)技術(shù)

部隊(duì)訓(xùn)練及兵器試驗(yàn)所處環(huán)境復(fù)雜，采集到的聲波信號(hào)首先必須進(jìn)行必要的降噪和增強(qiáng)處理。根據(jù)1.1節(jié)爆炸聲多脈沖震蕩衰減特性，采用拉普拉斯小波[13]濾波的方法降低噪聲幅度，進(jìn)一步凸顯爆炸聲波。完整的拉普拉斯小波基函數(shù)為

ψ(ω,ξ,τ,t)=

(1)

參數(shù)矢量γ={ω,ξ,τ}決定了小波的特性，它的成員變量ω、ξ、τ和模態(tài)動(dòng)力學(xué)相關(guān)，其中ω∈R+，為頻率，ξ∈[0,1)∈R+，為黏滯阻尼比，τ∈R，為時(shí)間參數(shù)；系數(shù)A為幅度，用來(lái)歸一化小波函數(shù)；Ws為小波緊支區(qū)間的寬度，它一般不需要顯式表示。由于ω=2πf，而f更直觀地表示了信號(hào)的頻率，此處一律用γ={f,ξ,τ}表示Laplace小波參數(shù)。f的單位為Hz，它決定Laplace小波的振蕩頻率。較大的阻尼比ξ使Laplace小波迅速衰減。Laplace小波具備“單邊衰減”特性的同時(shí)，其正交性很差，這就決定了不能用基于正交分解的傳統(tǒng)小波變化的方法來(lái)應(yīng)用Laplace小波。因而，一般常用的是使用不同的Laplace小波特征波形基在時(shí)域中與信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的模態(tài)參數(shù)的識(shí)別，也即Laplace小波相關(guān)濾波法。運(yùn)用拉普拉斯小波進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)可以有效濾除噪聲干擾又不會(huì)破壞原有信號(hào)的形狀。

3.2 信號(hào)分割技術(shù)

在沒有彈丸爆炸時(shí)，聲波信號(hào)低平，當(dāng)有彈丸爆炸時(shí)，爆炸聲信號(hào)幅度很高，震蕩衰減。在各路聲波信號(hào)H1(t)、H2(t)、H3(t)、H4(t)中選取1個(gè)幅度較低爆炸聲波，取其幅度最大值M的1/3為閾值Q，則信號(hào)W(t)為

W(t)=H1(t)+H2(t)+H3(t)+H4(t)

(2)

4個(gè)傳聲器的最大間距3d，聲波在傳聲器陣的最大傳播時(shí)間為tr=3d/c(c為聲波傳播速度，d為傳聲器間距)。從信號(hào)W(t)前端開始，當(dāng)信號(hào)W(t)在tr時(shí)間范圍內(nèi)沒有爆炸信號(hào)時(shí)，即逐點(diǎn)判斷，當(dāng)在tr時(shí)間范圍內(nèi)沒有大于Q的幅值時(shí)，提取tr時(shí)間內(nèi)的信號(hào)以及它之前的信號(hào)為1個(gè)待分辨信號(hào)段Wi(t)(i∈1,2,3，…)；它之后的信號(hào)繼續(xù)進(jìn)行前面的處理，直到把W(t)檢測(cè)完畢。得到信號(hào)段W1(t)，W2(t)，…，Wq(t)。W1(t)，W2(t)，…，Wq(t)在時(shí)域上與H1(t)，H2(t)，H3(t)，H4(t)對(duì)應(yīng)的信號(hào)，即起止時(shí)刻相同的信號(hào)表示為s11(t)，s12(t)，…，s1q(t)；s21(t)，s22(t)，…，s2q(t)；s31(t)，s32(t)，…，s3q(t)；s41(t)，s42(t)，…，s4q(t)。

3.3 陣列方向圖生成技術(shù)

傳聲器陣列可當(dāng)作一個(gè)空域?yàn)V波器[14]，在硬件上變現(xiàn)為4個(gè)陣元傳聲器，依次排成“一”字形，間距為d，如圖4所示。對(duì)s11(t)，s12(t)，…，s1q(t)；s21(t)，s22(t)，…，s2q(t)；s31(t)，s32(t)，…，s3q(t)；s41(t)，s42(t)，…，s4q(t)進(jìn)行空域?yàn)V波，求取陣列方向圖，得到q個(gè)平面陣列方向圖。

圖4 傳聲器陣列及來(lái)波示意圖Fig.4 Microphone array and wave direction diagram

算法上表述如下：以陣列一端傳聲器M1為原點(diǎn)，平行傳聲器指向其他傳聲器的方向?yàn)?0°，反方向?yàn)?90°，法線指向落彈區(qū)的方向?yàn)?°方向；當(dāng)波束形成器只允許輸入方向?yàn)棣鹊牟ㄍㄟ^，其他方向阻滯時(shí)，設(shè)τ1=0，τ2=-dsinθ/c，τ3=-2dsinθ/c，τ4=-3dsinθ/c，θ為來(lái)波方向與傳聲器陣列垂線夾角；輸入信號(hào),即4個(gè)傳聲器分別接收到的信號(hào)分別為為s1(t)、s2(t)、s3(t)、s4(t)，其中t表示這段信號(hào)從開始到結(jié)束的時(shí)刻值，根據(jù)式(3)得到陣列輸出Y(θ)：

(3)

把信號(hào)分解在相應(yīng)的來(lái)波方向上，即是在得到該段信號(hào)的數(shù)個(gè)來(lái)波方向后，分別以這幾個(gè)方向的角度值運(yùn)用式(3)對(duì)其進(jìn)行空域?yàn)V波，陣列的方向圖表示為

(4)

根據(jù)式(4)，當(dāng)θ在-1 500～1 500密位遍歷時(shí)，得到不同角度值對(duì)應(yīng)的聲波能量G(θ)。

3.4 波達(dá)角估計(jì)與信號(hào)分解技術(shù)

根據(jù)陣列方向圖運(yùn)用分水嶺法確定各段信號(hào)來(lái)波方向個(gè)數(shù)及方向，即以各圖最大值的1/3～1/2為閾值P，選取大于該閾值的連通域，連通域的個(gè)數(shù)即為該段聲波爆炸聲來(lái)向個(gè)數(shù)，連通域中間位置對(duì)應(yīng)的方向即為爆炸聲波來(lái)向。如圖5所示，一般情況下閾值選最大值的1/3～1/2。

圖5 基于分水嶺算法的信號(hào)分割示意圖Fig.5 Signal segmentation diagram based on watershed algorithm

有時(shí)，閾值P的選擇非常關(guān)鍵。設(shè)q段信號(hào)的來(lái)波方向個(gè)數(shù)分別為z1,z2,…,zq。z1,z2,…,zq的和應(yīng)接近火炮射彈量，如果明顯低于射彈量，可降低閾值重新計(jì)算連通域數(shù)量。根據(jù)各段信號(hào)的來(lái)波方向，運(yùn)用式(3)對(duì)其進(jìn)行空域?yàn)V波，把信號(hào)分解在相應(yīng)的來(lái)波方向上，共有z1+z2+…+zq=x個(gè)信號(hào)；x大于射彈量時(shí)，提高閾值P重新進(jìn)行波達(dá)角估計(jì)與信號(hào)分解；x等于射彈量時(shí)，則彈丸全部爆炸。

3.5 作用率判定

經(jīng)過時(shí)域分割和空域?yàn)V波分解后的波形，每個(gè)波形存在爆炸聲的數(shù)量較少，可人工分辨每個(gè)波形的爆炸聲數(shù)量，將各個(gè)波形爆炸聲數(shù)量相加即為所有彈丸爆炸的數(shù)量，根據(jù)實(shí)際射彈量可計(jì)算作用率。

信號(hào)處理及作用情況判定過程中，根據(jù)陣列方向圖閾值的選取是此處的一個(gè)難點(diǎn)，很多時(shí)候人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷可直接得到合理的閾值。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)彈試驗(yàn)

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1.1 多彈丸爆炸聲信號(hào)生成方法

按照以下原則要求，構(gòu)建傳聲器陣列的仿真多彈丸爆炸聲信號(hào)：

①以某一彈丸爆炸信號(hào)作為其他爆炸信號(hào)的原版；②按照某類試驗(yàn)彈丸落地規(guī)律，生成爆炸點(diǎn)坐標(biāo)和爆炸時(shí)刻；③按照本方法，合理布置傳聲器陣，產(chǎn)生傳聲器坐標(biāo)；④針對(duì)某一個(gè)傳聲器，根據(jù)爆炸點(diǎn)與傳聲器距離、爆炸時(shí)刻和爆炸聲模板生成各爆炸點(diǎn)聲波在這個(gè)傳聲器上產(chǎn)生的電壓波幅信號(hào)；此時(shí)，暫時(shí)不考慮它們的疊加問題，有多少爆炸點(diǎn)，就有多個(gè)爆炸聲時(shí)域信號(hào)；⑤為各爆炸聲加入白噪聲；⑥將各爆炸聲波幅度在時(shí)域上線性疊加生成該傳聲器產(chǎn)生的波形，如果某處有超出傳聲器陣測(cè)量系統(tǒng)量程的數(shù)值，一律取最大量程幅值；⑦其他傳聲器類似方法生成聲波信號(hào)。設(shè)置9個(gè)同時(shí)爆炸的聲波，如圖6所示。

圖6 爆炸聲極坐標(biāo)圖Fig.6 Explosion polar diagram

選取了某型彈丸爆炸聲波波形作為基礎(chǔ)，按上述方法仿真生成4個(gè)傳感器信號(hào)，如圖7所示。

圖7 爆炸聲波波形Fig.7 Explosion wave forms

聲波采集頻率Fs=11 520 Hz，采集點(diǎn)時(shí)間間隔即幀間隔為1/Fss。由于爆炸點(diǎn)的位置比較集中，彈丸同時(shí)起爆，爆炸聲波疊加，從圖中很難辨識(shí)、判定爆炸聲的數(shù)量。下面根據(jù)本算法逐步處理信號(hào)、判定爆炸彈丸數(shù)量。

4.1.2 信號(hào)分割

信號(hào)經(jīng)過必要的濾波、增強(qiáng)后進(jìn)行分割分段。先分段而不是直接進(jìn)行陣列方向圖生成、波達(dá)角可能原因?yàn)椋簭椡杼鄷r(shí)來(lái)波方向必然很多，角度非常接近的可能性增大，致使波達(dá)估計(jì)復(fù)雜化。根據(jù)2.2節(jié)介紹，單個(gè)聲波在傳聲器陣的最大傳播時(shí)間為tr=3d/c內(nèi)無(wú)爆炸聲波處可作為分割點(diǎn)，根據(jù)仿真條件將信號(hào)分為前后兩段，后文稱為第一段和第二段，分段結(jié)果如圖8所示。

圖8 多彈丸爆炸聲波分段結(jié)果Fig.8 Segmentation results of multiple projectiles explosion acoustic wave

4.1.3 陣列方向圖生成

根據(jù)2.3節(jié)生成兩段信號(hào)的陣列方向圖，并將角度值平移90°至0°～180°。兩段信號(hào)的陣列方向如圖9所示。

圖9 兩段的陣列方向圖Fig.9 Array pattern of two segment signal

陣列方向圖反映了0°～180°各角度聲波來(lái)波能量。因?yàn)楸曔h(yuǎn)大于背景噪聲，所以，縱坐標(biāo)幅度較大處對(duì)應(yīng)的角度應(yīng)該有爆炸聲。

4.1.4 波達(dá)角估計(jì)

運(yùn)用分水嶺法確定幅度最大值的1/3～1/2為閾值，選取大于該閾值的連通域，連通域的個(gè)數(shù)即為該段聲波爆炸聲來(lái)波方向個(gè)數(shù)。

由圖10(a)可知，第一段信號(hào)的方向圖得到4個(gè)來(lái)波方向，第二段信號(hào)也得到4個(gè)來(lái)波方向，兩者之和8接近射彈量9。來(lái)波方向?yàn)?0°、20°、120°、160°、35°、20°、60°、70°。由圖10(b)可知，第二段信號(hào)方向圖有一個(gè)峰值極高，高于第一幅陣列方向圖峰值2～3倍，緊接著3個(gè)峰值高度相當(dāng)，其峰值也與第一幅陣列方向圖的峰值相當(dāng)，為200～300，所以，有3+1個(gè)強(qiáng)聲來(lái)向，1個(gè)能量極強(qiáng)，說(shuō)明這個(gè)方向上有多個(gè)爆炸聲波。

圖10 兩段信號(hào)不同閾值時(shí)得到的來(lái)波方向Fig.10 The direction of incoming wave at different thresholds of two signals

4.1.5 信號(hào)分解與作用率判定

根據(jù)式(1)將第一段信號(hào)分解到10°、20°、120°、160° 4個(gè)爆炸聲來(lái)波方向上；將第二段信號(hào)分解到35°、20°、60°、70°共4個(gè)爆炸聲來(lái)波方向上。容易觀察，第一段信號(hào)的4個(gè)分解信號(hào)各有一個(gè)爆炸聲，此處不再列出分解信號(hào)。第二段信號(hào)的分解信號(hào)如圖11所示。

圖11 35°方向來(lái)波波形Fig.11 Wave form in 35° direction

圖11第一個(gè)波形是根據(jù)式(1)直接分解的結(jié)果，第二個(gè)波形是根據(jù)式(5)并經(jīng)過帶通濾波后的波形。可以看出，該方向上有兩個(gè)爆炸聲信號(hào)。

(5)

根據(jù)式(5)，可類似地對(duì)20°、60°、70°方向上信號(hào)進(jìn)行空域?yàn)V波，最終獲知：這三個(gè)方向上只有一個(gè)爆炸聲波。綜合分析得到，本次仿真信號(hào)中有9個(gè)爆炸聲信號(hào)，彈丸全部作用。

4.1.6 測(cè)試方法分辨率分析

以理論上講，在同一范圍、同一微小時(shí)間段內(nèi)(如數(shù)秒)射彈量倍增，達(dá)到近百發(fā)，甚至數(shù)百發(fā)，那么聲波疊加進(jìn)一步加劇，當(dāng)來(lái)自同一個(gè)方向上的爆炸聲波疊加在一起時(shí)，不能分辨。當(dāng)射彈量不是非常多，但恰巧有來(lái)自同一個(gè)方向上的爆炸聲波疊加在一起時(shí)，單個(gè)傳聲器陣判別作用情況會(huì)帶來(lái)誤差，盡管在射彈量不很大的情況下極少遇到。擬定不同數(shù)量、不同時(shí)間段彈丸在600 m×400 m范圍內(nèi)隨即爆炸，類似本節(jié)采用的方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，表1所示為彈丸數(shù)量與出錯(cuò)數(shù)量情況。仿真過程中，彈丸種類為82 mm迫彈，即應(yīng)用實(shí)際82 mm迫彈聲波仿真。

表1 多彈丸作用判定時(shí)的出錯(cuò)數(shù)量

由表1可以看出，當(dāng)每組彈丸數(shù)量不大于43發(fā)時(shí)，本方法幾乎不會(huì)出錯(cuò)，當(dāng)每組彈丸數(shù)量遞增到50發(fā)而爆炸時(shí)間段在2 s時(shí)，方法開始出現(xiàn)少量錯(cuò)誤，當(dāng)時(shí)間段不變，爆炸彈丸數(shù)量繼續(xù)激增時(shí)，出錯(cuò)數(shù)量也快速增大。另外，如果爆炸時(shí)間段拉長(zhǎng)時(shí)，出錯(cuò)數(shù)量陡降。

可通過在不同方向多布置幾個(gè)傳聲器陣，以及提高傳聲器陣列角度分辨率的方法提高分辨能力，減小誤差。常見的靶場(chǎng)及作戰(zhàn)試驗(yàn)，每組射彈量一般小于40發(fā)，當(dāng)射彈量增加時(shí)一般是分組的，組與組之間有數(shù)秒以上的時(shí)間間隔，互不影響，本方法可滿足一般靶場(chǎng)及作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試判定需要。

4.2 實(shí)彈試驗(yàn)與使用條件

在某型迫彈靶場(chǎng)實(shí)彈試驗(yàn)過程中，測(cè)試區(qū)域?yàn)? km×1.5 km，射擊彈丸48發(fā)，4組8發(fā)，1組16發(fā)，每組彈丸均在約2 s內(nèi)射擊完成，傳感器陣列為線性5元陣，傳感器間距為0.5 m，布站位置距離測(cè)試區(qū)域中心約1 km，方向朝向與圖6一致，采集頻率為10 k。

應(yīng)用該方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆炸聲波采集、處理以及分析。最終判定結(jié)果與實(shí)際搜尋彈坑數(shù)據(jù)對(duì)比，沒有數(shù)量偏差。其中一組16發(fā)彈丸爆炸畫面如圖12所示，聲波波形如圖13所示，從波形上可以比較清晰地看出12個(gè)爆炸聲波，經(jīng)過時(shí)域分割后，信號(hào)被分為4個(gè)段，再經(jīng)過空域?yàn)V波和波形分解后，得到15個(gè)爆炸波形，1發(fā)彈丸未爆。

圖12 16連發(fā)彈丸爆炸畫面Fig.12 Explosion picture of16 repeating projectile

圖13 16發(fā)彈丸爆炸聲波波形Fig.13 Sound signals of 16 repeating projectile explosion

本方法在作戰(zhàn)試驗(yàn)和靶場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用以來(lái)，測(cè)試判定多彈丸數(shù)十組，每組彈丸數(shù)量在4～32發(fā)，包含迫彈、榴彈等型號(hào)彈丸。射彈落地范圍一般在數(shù)百平方米，每組彈丸爆炸過程時(shí)間范圍一般在數(shù)秒至數(shù)十秒。在實(shí)彈射擊試驗(yàn)中，傳聲器采集除了能夠采集到爆炸聲波外還可以采集到炮口聲波，跨音速、超音速落地彈丸還能夠采集到彈道波，在爆炸區(qū)域，炮口聲一般遠(yuǎn)小于爆炸聲，并且與爆炸聲出現(xiàn)在不同時(shí)域內(nèi)，不影響方法的使用，有些彈丸彈道波聲波幅度與爆炸聲波相近，但因其頻域、空域的區(qū)別，在使用該方法時(shí)可以先進(jìn)行頻域和空域?yàn)V波。

以往，判斷多彈丸作用率最常用、最直接的方法就是事后人工搜尋彈坑和未爆彈，工作量和危險(xiǎn)性不言自喻。也有考慮應(yīng)用光學(xué)攝像，但經(jīng)常性的彈丸脫離相機(jī)視場(chǎng)和大范圍煙火遮擋讓這種方法不再應(yīng)用。本方法具有代價(jià)小、應(yīng)用簡(jiǎn)便、可信度高、不受能見度影響全天時(shí)工作的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于靶場(chǎng)。

使用時(shí)，也應(yīng)考慮地形、氣象對(duì)使用的影響。當(dāng)彈丸爆炸區(qū)域?qū)儆谇鹆?、山坡地，但爆炸點(diǎn)均與傳聲器布設(shè)位置通視時(shí)，可選用立體布陣，考慮高低方向問題；當(dāng)爆炸點(diǎn)與傳聲器陣之間有明顯大型建筑或山坡阻擋，或測(cè)試區(qū)域回聲特別明顯時(shí)，方法失效。一般丘陵、緩緩升高的山地，傳聲器陣所處地面，聲波回聲不明顯，可以使用。氣象因素對(duì)使用的影響，這里主要考慮風(fēng)，因?yàn)橛暄┑葪l件下極少試驗(yàn)。風(fēng)會(huì)對(duì)聲波的傳播方向產(chǎn)生影響，并且增大背景噪聲。因?yàn)檫B發(fā)爆炸聲波密集，時(shí)域很短，其對(duì)方向的影響屬于整體偏移式影響，對(duì)判定結(jié)果影響不大。因?yàn)閺椡璞暡ǚ浅?qiáng)烈，所以，增大的背景噪聲對(duì)其信號(hào)處理和判定影響也不大。這個(gè)總結(jié)，來(lái)源于對(duì)風(fēng)速小于10 m/s的數(shù)據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)風(fēng)速更大時(shí)，需要另行分析。

5 結(jié)論

提出了一種基于傳聲器陣列的多彈丸作用率測(cè)試判定技術(shù)。通過在試驗(yàn)彈著區(qū)安裝低成本傳聲器陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈著區(qū)的聲學(xué)全域監(jiān)測(cè)。分析傳聲器陣采集到的聲波信號(hào)，采用濾波分析技術(shù)進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)的降噪與增強(qiáng)；對(duì)各路信號(hào)疊加并根據(jù)彈丸爆炸聲波能量經(jīng)驗(yàn)閾值和彈丸散布范圍分割信號(hào)；采用波束形成器生成信號(hào)方向圖，采用分水嶺法確定各段信號(hào)來(lái)波方向個(gè)數(shù)及方向，采用空域?yàn)V波技術(shù)將信號(hào)分解到相應(yīng)的方向上，從而試驗(yàn)人員可以結(jié)合爆炸聲信波特點(diǎn)清晰計(jì)數(shù)彈丸爆炸聲波數(shù)量，并根據(jù)射彈數(shù)量計(jì)算作用率、瞎火率和瞎火彈數(shù)量。通過仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)彈試驗(yàn)，證實(shí)了本方法的正確性與有效性。在此基礎(chǔ)上，未來(lái)將進(jìn)一步研究多陣列布陣，利用各陣列測(cè)試得到的爆炸聲來(lái)波方向交會(huì)定位多彈丸爆炸點(diǎn)坐標(biāo)。