[发明专利]一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法

摘要

本发明的一种弹丸落点坐标声震波探测系统及探测方法。探测系统由32个声震波探测器前端单元、中心站单元、4G网络通信单元、辅助单元及载车组成。探测方法从声学应用的角度提出了一种弹丸落点坐标测试的手段，不受视场角限制，可以很好的弥补光学设备的不足；能快速准确地获得精度较高的弹着点坐标，且能准确区分弹序；可实时监控弹丸作用情况，所述的弹丸作用情况包括未爆炸、半爆炸及完全爆炸；及时发现是否存在未爆弹，排除安全隐患，安全可靠。探测范围大，为3km×3km~10km×10km。测量精度较高，探测范围3km×3km时，精度可达5m以内；通信距离远最大可达15km。多次在靶场试验中得到成功应用和检验。

主权项

1.一种弹丸落点坐标声震波探测系统，其特征在于由多个声震波探测器前端单元、中心站单元、4G网络通信单元、辅助单元及载车组成；所述的声震波探测器前端单元布置于理论弹道推算出的弹丸落点区域周围，声震波探测器前端单元由声震波传感器、A/D转换模块、前端控制处理模块、GPS/北斗授时模块和前端无线通信终端（简称前端CPE）组成；声震波传感器接收弹丸落地产生的声波，并将接收到的信号通过A/D转换模块转变成模拟信号；前端控制处理模块对声震波传感器输出的电信号进行滤波、放大、采样，接收GPS/北斗授时模块传送的授时信息，将授时信息与声震波信号打包，以无线传输的方式发送给中心站，并接收和处理中心站传来的指令；GPS/北斗授时模块对声震波探测器前端单元进行授时，实现探测信号的时间统一；前端CPE和中心CPE作为4G网络终端，通过4G网络以无线传输的方式完成各个声震波探测器前端单元与中心站之间的通讯；4G网络的通信依靠4G基站，4G基站在一个独立的载车中；所述的4G网络通信单元由核心网设备、基站设备组成；核心网设备和基站设备放置在独立的载车内；核心网设备提供包括用户位置信息管理、网络特性和业务的控制、信令和用户信息的传输、用户数据传输、系统接入控制、无线信道的加扰解扰、移动性管理诸功能；基站设备包括BBU基带处理单元和RRU射频单元，BBU基带处理单元用于基带信号处理，RRU射频单元用于将基带光信号转成射频信号放大发送至网络终端；所述的辅助单元包括发电机、配电箱、UPS、声震波传感器校准设备、示波器、手持GPS、工具箱；发电机通过配电箱为中心站单元供电，UPS保证设备供电需求；声震波传感器校准设备通过对声震波传感器的技术指标进行测量，确保系统中使用的声震波传感器的技术指标满足要求；示波器用于检测信号同步；手持GPS在声震波探测器前端单元布设与回收时，起到定位与导航的作用；工具箱用于维修设备；中心站单元和辅助单元装载在载车上；所述的中心站单元由中心无线通信终端（简称中心CPE）、中心计算机和气象设备组成；中心CPE接收各个声震波探测器前端单元发回的工作状态信息和原始采集数据，并向各个声震波探测器前端单元发送指令；所述的工作状态包括网络通信、声震波传感器、BD/GPS、SD卡、电量；气象测量设备测量中心站及落区的气象数据，对信号的传播速度值进行修正；中心站单元和辅助单元装载在载车上；所述的中心计算机中存储并运行程序，该程序包括布站方式决策模块、系统自检模块、任务管理模块、原始数据接收及处理模块、自动提取模块、人工提取模块、气象采集模块、单目标处理模块、多目标处理模块；布站方式决策模块（101）首先，根据靶场的地形环境，在电子地图上依据理论弹道模型推算出的弹丸落点区域，在电子地图上设计布站方式和分布均匀的点位，然后，在弹丸落区周围按所述的布站方式在弹丸落点周围布设声震波探测器前端单元；该模块从布站图型和布设数量提供了声震波探测器前端单元布站方式优化功能:当声震波探测器前端单元数量n≥3，计算模型中的系数矩阵B可分解为，为正交列满秩矩阵，G为行满秩矩阵，将矩阵G的行向量设为，假设g₁为范数最大的行向量，则观测结构评价因子E为公式1：式中，B为计算模型中的系数矩阵，其与误差方程6中的矩阵B相同，g1为矩阵G范数最大的行向量，E为观测结构评价因子；E的范围为，E的值可以较好的反应结构的优劣，靠近1代表结构较好，靠近0代表结构较差； 确定布站图型后，可通过增减声震波探测器前端单元数量的方式进一步优化结构，评价标准依然依靠公式1获得的观测结构评价因子E；系统自检模块（102）该模块通过4G网络向声震波探测器前端单元发送自检指令，声震波探测器前端单元接收到指令后，将自检结果通过4G网络传送回中心站单元，中心站单元接收自检信息并显示在仿真面板上；任务管理模块（103）该模块在设备使用前，将相关信息和数据录入数据库中进行存储和管理；系统使用结束后，将气象数据和试验数据追加到当天的记录中；程序采用的数据库是Microsoft Office Access 2003；数据实时显示与回放模块（104）声震波探测器采集的信号，经A/D转换、滤波、放大后，与授时信息合成数据包，通过4G网络传送至数据实时显示与回放模块（104）进行数据实时显示与存储；该模块还具备以下功能：a)实时显示声震波探测器前端单元的电量、网络连接状态、北斗定位、声震波传感器状态、SD卡存储状态；b)获得声震波探测器前端单元坐标，并可以完成GPS84坐标、北京54坐标、靶场自定义坐标之间的转换；c)重置北斗定位和声震波传感器；d)检核声震波探测器前端单元的同步精度；e)回放存储在中心计算机中的原始数据；状态信息帧：声震波探测器前端单元接收到“系统自检”指令后，作为应答，向中心站发送本单元的声震波探测器的状态信息，该信息打包成“状态信息帧”；目标时刻自动提取模块（105）该模块从数据实时显示与回放模块（104）得到的原始数据中快速提取时延差，提取法有a)峰值提取法或b)能量中心法或c)相关法；所述的 a)峰值提取法如下：初步判断目标可能出现的时间段，选取波形中振幅最大的时刻为特征点，每个声震波探测器前端单元提取的规则一致，这样就得到声波到达第i个声震波探测器前端单元的时间ti，将ti保存在指定的数据处理文件中，通过ti，便可以获得时延差；所述的 b)能量中心法如下：将波形中超过阈值的部分作为爆炸能量持续过程，以振幅为权，进行加权平均，得到能量按时间分布的中心时刻作为目标时刻，首先，选取起始时刻和结束时刻的中心时刻为基准时刻t0 ，其余各时刻与基准时刻求差，得到△ti，每个时刻的振幅为Pi，则能量中心时刻为△t=∑(△ti*Pi)/ ∑Pi，目标时刻为：t= t0+△t，每个声震波探测器前端单元均按此规则提取；所述的c)相关法如下：任意选取一个声震波探测器前端单元波形作为基本波形，其余声震波探测器前端单元的波形与其作相关处理，直接得到时间差；具体的步骤：提取所有声震波探测器前端单元波形信号中包含目标的一段波形，记录这段波形的起止时刻及波形内每个时刻的振幅，并以波形最短的一个声震波探测器前端单元为基准，将所有前端单元的起点时刻对齐，求取时间差△t0j，任意选取某一个前端单元的波形，与基准波形进行相关处理，处理办法为：在做相关处理的两个波形上，每个对应时刻的振幅相减得到一系列振幅差值，将这些振幅差值进行平方求和，将基准数据移动一个时间单元，再求出相应的振幅差值平方和，不断移动基准波形，直到两个波形的终点时刻对齐为止，比较所有的振幅差值平方和值，记录平方和最小时，基准数据移动的次数，时间单元×次数等于移动的时间差△△t0j, △△t0j加起始时刻即为这个声震波探测器前端单元与基准前端单元的时延差；重复上述过程，将所有声震波探测器前端单元依次与基准前端单元进行比对；人工提取模块（106） 该模块将采集的原始数据读取并显示出来，通过鼠标点击信号曲线上的特征点位置，记录特征点对应时刻ti，将ti保存在指定的数据处理文件中，进而得到声震波探测器前端单元间的时延差；气象采集模块（107）该模块通过串口通信的方式控制气象设备，当气象设备收到指令后开始采集气象参数，试验前和试验后分别测量一次；温度与声速近似成线性关系，公式2为：式中，为声速，为环境温度，单位为摄氏度；时延观测值修正模型3为：式中，为声源发出声波的起始时刻，风速为，风向角为，风向角是风向与轴正向的夹角，为向量与轴正向的夹角，为时延差修正值；单目标处理模块（108）该模块根据其他模块提供的相关数据，选择交会定位算法，完成单发弹丸落点坐标的计算，将计算结果在电子地图中显示，并传送到指挥显示大厅，交会定位算法为a)算法1或b)算法2；所述的a)算法1如下：根据声震波探测器前端单元与弹丸落点的几何关系；，构造如下误差函数公式4：式中，i为声震波探测器前端单元的编号，为声速，为与的时间差，为各声震波探测器前端单元接收到声源信号的时刻，为弹丸落点到声震波探测器前端单元的距离，为弹丸落点的位置坐标，见公式5；式中，为声震波探测器前端单元的位置坐标；对公式4在初值处进行泰勒级数展开，省略二次以上高阶项，建立误差方程6：式中，为残差，为声源坐标估值的改正数，B为系数矩阵，具体形式为公式7：，，，为观测值向量，具体形式见公式8：式中，为迭代计算的初值，即弹丸落点的概率坐标，、和的含义与公式4、5相同；由初值代入公式5得出；根据最小二乘原理可列出法方程9：式中，B为系数矩阵，具体形式为公式7，P为观测值权阵，它能反映观测值精度的优劣，当观测值精度相同，且不考虑彼此相关性时，取单位矩阵；为初值改正数，为观测值向量；当矩阵B为列满秩矩阵时，解法方程可得唯一解10：将公式10的解算结果与初值相加，即可得到声源坐标为：所述的b)算法2如下：根据声震波探测器前端单元与声源的几何关系，可以建立如下方程组 11：式中，i为声震波探测器前端单元的编号，为声震波探测器前端单元的位置坐标，为弹丸落点的位置坐标，为声速，是声震波探测器前端单元接收到目标特征点时刻，t为从弹丸落地到基准声震波探测器前端单元接收到目标经历的时间，为其他时刻与的时间差；对方程组11中的n个方程分别展开，然后依次相减可得方程组 12：式中，，变量含义与方程组11相同；对方程组12进行消元处理，即可得到一个线性方程组13：式中，变量及含义与方程组12相同，B为系数矩阵，矩阵元素赋值如下：，，，对方程组13建立误差方程14式中，与矩阵B含义与方程组12、13相同，为计算结果，为残差；解误差方程，可得到声源的位置坐标；粗差探测：初步解算弹丸落点概略坐标值，并计算其到各个声震波探测器单元的距离d，选第一个声震波传感器距离作为基准，其它声震波探测器单元距离与之相减，得到距离差，利用及声波传播速度可反算出时间差，如果没有粗差，与声震波探测器单元得到的时间差相差不大，即较小；反之，较大，粗差探测公式15如下：式中，为声震波探测器单元获得的时间差，为反算的时间差，为与的差值；粗差处理方法：考虑观测值可能含有粗差，但解算结果出现明显错误时，需要将稳健估计模型加入到计算模型中；等价权函数为公式16：式中，为调整后的权阵，为调整前的权阵，为常数，可根据残差决定取值范围，；具体计算的迭代过程如下： 1) 列误差方程6，令, ，为观测权阵，为第一次迭代的观测权阵；2) 解算法方程式17；式中，向量L与矩阵B含义与误差方程6相同，为计算结果，为初始观测权阵；解公式17得公式18和公式 19：式中，为第一次迭代得到的弹丸落点坐标，第一次迭代的残差，向量L、矩阵B和权阵的含义与法方程式17相同；3) 由按公式16确定各观测值新的权阵，再解法方程17得公式20和公式 21：式中，为第二次迭代得到的弹丸落点坐标，第二次迭代的残差，向量L、矩阵B的含义与法方程式17相同，权阵为第2次迭代后得到的观测权阵； 4) 由按公式16确定各观测值新的权阵，再解算法方程17，类似迭代计算，直至前后两次解的差值符合限差要求为止；5) 最后的结果为公式22和公式23:式中，为第n次迭代得到的弹丸落点坐标，第n次迭代的残差，向量L、矩阵B的含义与法方程式17相同，权阵为第n次迭代后得到的观测权阵；病态性问题处理方法：采用岭估计公式24为： 式中，为弹丸落点坐标计算结果，向量L与矩阵B含义与误差方程6相同，为岭参数，为常数，为同阶的单位阵，采用岭迹法选取岭参数；多目标处理模块（109）当多发炮弹以较短的时间间隔发射时，时常会出现时序混乱的情况，需要对时序重新排序，再对各目标落点坐标进行定位解算，该模块提供了a)方法1或b)方法2；所述的a)方法1如下：将各个声震波探测器前端单元的目标特征点时刻按从小到大顺序进行排列，不考虑时序混乱问题，对每发弹数据进行定位解算，将解算结果依次代入公式5中，反算基准声震波探测器前端单元到其它声震波探测器前端单元的距离差，再除以声速，得时延差，将时延差与观测值进行对比，所述的观测值来自于声震波探测器前端单元采集的原始数据，将差异较大的声震波探测器前端单元数的时序不断进行调整，直至所有声源的反算时延差与观测值几乎相同为止；所述的b)方法2如下：(1) 选择布站结构较好的5个声震波探测器前端单元，将它们的多目标数据进行排列组合，设声源数为n，则共有n5个时序；(2) 对n5个时序进行定位解算，找出方差较小的50个时序；(3) 同一个声源不可能重复使用一个声震波探测器前端单元的两个时延值，以此为判断依据，得到最优的时序；(4) 除了以上选择的5个声震波探测器前端单元外，从其它的声震波探测器前端单元中随机选取一个作为第6个声震波探测器前端单元，将其数据加入到计算模型中，进行解算，如果出现残差较大的情况，必然是后加入的数据出现错误，对第6个声震波探测器前端单元的n！个时序进行调整，找出方差最小的时序；(5)重复过程(4)，将剩余声震波探测器前端单元的时序调整完毕。