[发明专利]用于消歧枪械位置的系统和方法

说明书

本申请申请号为200580035397.7(PCT/US2005/030126)，申请日为2005年8月24日的专利申请的分案申请。

政府合同

美国政府在本发明中具有已付费的许可，并有权在有限的情况下要求专利所有人按DARPA ATO授予的合同No.HR0011-04-C-0035的条款所提供的合理条款许可他人。

技术领域

本发明涉及法律实施技术和安全，更具体地说，涉及确定超音速射弹运行的起点及方向的方法和系统。甚至在枪械和传感器之间的距离很大，并在没有接收到信号或仅接收到来自枪口声音的微弱信号时，这些方法和系统都能够确定和消歧(disambiguate)枪械位置。

背景技术

通过测量与射弹所产生的冲击波相关联的参数可确定超音速射弹如子弹和炮弹的一般方向和弹道的系统和方法已为人所知。在美国专利No.5,241,518中说明的一个这种系统包含至少三个间隔开的传感器，每个传感器结合有布置成平面的三个声换能器。传感器对冲击波作出响应产生信号，而冲击波则与其起点的方位角和仰角有关。冲击波仅有的测量不能确定传感器和冲击波起点之间的距离。距离信息通常是从枪口火焰或枪口爆炸获得的。

枪械相对于传感器位置的方位角和仰角通常是通过测量每个传感器上枪口信号和冲击波信号的到达时间(TOA)信息来确定的。每个传感器在不同时间碰撞到这些信号，并对枪口和冲击波压力作出响应产生信号。对来自各传感器的信号进行处理，可确定从传感器到枪口和冲击波起点的方向(方位角和仰角)，继而射弹的弹道就可确定。

常规系统采用扩音器，它们可间隔得相对很近(例如相隔1米)或分散很开(例如安装在汽车上或在战场上由战士携带)，并在它们各自的位置上全方向地测量枪口和冲击波压力。但是，除非传感器相对分散很开和/或弹道位于天线之内，否则要获得精确的冲击波仅有的解所需的定时精度非常高，并且需要有特殊的技术。

大天线尺寸例如在车载系统中可能是个主要的缺点。此外，仅有边际时间分辨率的系统会产生歧义解，其中对于两个镜像对称的枪械位置，在给定传感器组上的冲击波的到达时间信息几乎相同。

常规算法要求至少4次冲击波和枪口检测，以使4×4矩阵可以被转化为映射冲击波TOA上的平面波。在冲击和枪口TOA确定中的小误差会在射程估算中产生相当大的误差。而且，常规算法假设沿子弹弹道为恒定的子弹速度，这对于从大于约300米的距离处发射的长射程射击给出了不精确的射程估算。

因此，需要有能够精确估算远枪械射程的快速收敛算法。也需要消歧枪械方向的冲击波仅有的解。还需要提取可能被与枪口爆炸无关的声特征标记而模糊不清的枪口信号。

发明内容

本发明通过在各种实施例中提供用于对于长射程射击，特别是当枪口信号或是很弱或是在数量不够的检测通道中检测时，估算枪械射程的方法和系统，来解决现有技术中的缺陷。所公开的方法和系统还改进了冲击波仅有的枪械弹道解的消歧，通过在优化过程中包含弱和/或不可靠检测的枪口声音实现了附加改进。

按照本发明的一个方面，一种从冲击波仅有的信号中消歧射弹弹道的方法包含以下步骤：在形成天线的5个或更多个间隔开的声传感器上测量冲击波仅有信号的至少初始部分；估算用于声传感器的定时误差分布；用大于所估算的定时误差分布的时间分辨率，从冲击波仅有信号的所测量初始部分中确定传感器对的到达时间差(TDOA)；以及基于用于消歧的所定义置信度和用于声传感器TDOA的残差值，选择所消歧的射弹弹道。

按照本发明的另一方面，一种从冲击波仅有的信号中消歧射弹弹道的方法包含以下步骤：在形成天线的5个或更多个间隔开的声传感器上测量冲击波仅有的信号的至少初始部分；从冲击波仅有信号的所测量初始部分中确定传感器对的到达时间差(TDOA)；对于预定义的代数，对初始染色体应用遗传算法，所述初始染色体包括射弹弹道假设；对于从遗传算法中用染色体获得的解计算残差；在具有最小残差的解及其歧义备选解上执行梯度搜索，且如果具有最小残差的解与其歧义备选解之比大于预定义值，则指定具有最小残差的解作为消歧的射弹弹道。

按照本发明的又一方面，在通过检测冲击波和枪口爆炸估算枪械射程的方法中，测量冲击波仅有的信号以及枪口爆炸信号。从所测量的冲击波和枪口爆炸信号中估算初始枪械射程，假设一个初始子弹速度和子弹牵引系数。迭代计算沿子弹弹道的瞬间子弹速度，以获得更新的枪械射程。枪口爆炸检测通道数通常小于冲击波检测通道数。