[發明專利]一種彈丸落點坐標聲震波探測系統及探測方法

在審

• 申請號: 201810976095.9
• 申請日: 2018-08-25
• 公開（公告）號: CN109253660A
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 于國棟;王世贊;王春陽;吳勇
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63869部隊
• 主分類號: F41J5/00
• 分類號: F41J5/00
• 代理公司: 長春科宇專利代理有限責任公司 22001
• 代理人: 馬守忠

1.一種彈丸落點坐標聲震波探測系統，其特征在于由多個聲震波探測器前端單元、中心站單元、4G網絡通信單元、輔助單元及載車組成；

所述的聲震波探測器前端單元布置于理論彈道推算出的彈丸落點區域周圍，聲震波探測器前端單元由聲震波傳感器、A/D轉換模塊、前端控制處理模塊、GPS/北斗授時模塊和前端無線通信終端（簡稱前端CPE）組成；聲震波傳感器接收彈丸落地產生的聲波，并將接收到的信號通過A/D轉換模塊轉變成模擬信號；前端控制處理模塊對聲震波傳感器輸出的電信號進行濾波、放大、采樣，接收GPS/北斗授時模塊傳送的授時信息，將授時信息與聲震波信號打包，以無線傳輸的方式發送給中心站，并接收和處理中心站傳來的指令；GPS/北斗授時模塊對聲震波探測器前端單元進行授時，實現探測信號的時間統一；前端CPE和中心CPE作為4G網絡終端，通過4G網絡以無線傳輸的方式完成各個聲震波探測器前端單元與中心站之間的通訊；4G網絡的通信依靠4G基站，4G基站在一個獨立的載車中；

所述的4G網絡通信單元由核心網設備、基站設備組成；核心網設備和基站設備放置在獨立的載車內；核心網設備提供包括用戶位置信息管理、網絡特性和業務的控制、信令和用戶信息的傳輸、用戶數據傳輸、系統接入控制、無線信道的加擾解擾、移動性管理諸功能；基站設備包括BBU基帶處理單元和RRU射頻單元，BBU基帶處理單元用于基帶信號處理，RRU射頻單元用于將基帶光信號轉成射頻信號放大發送至網絡終端；

所述的輔助單元包括發電機、配電箱、UPS、聲震波傳感器校準設備、示波器、手持GPS、工具箱；發電機通過配電箱為中心站單元供電，UPS保證設備供電需求；聲震波傳感器校準設備通過對聲震波傳感器的技術指標進行測量，確保系統中使用的聲震波傳感器的技術指標滿足要求；示波器用于檢測信號同步；手持GPS在聲震波探測器前端單元布設與回收時，起到定位與導航的作用；工具箱用于維修設備；中心站單元和輔助單元裝載在載車上；

所述的中心站單元由中心無線通信終端（簡稱中心CPE）、中心計算機和氣象設備組成；中心CPE接收各個聲震波探測器前端單元發回的工作狀態信息和原始采集數據，并向各個聲震波探測器前端單元發送指令；所述的工作狀態包括網絡通信、聲震波傳感器、BD/GPS、SD卡、電量；氣象測量設備測量中心站及落區的氣象數據，對信號的傳播速度值進行修正；中心站單元和輔助單元裝載在載車上；所述的中心計算機中存儲并運行程序，該程序包括布站方式決策模塊、系統自檢模塊、任務管理模塊、原始數據接收及處理模塊、自動提取模塊、人工提取模塊、氣象采集模塊、單目標處理模塊、多目標處理模塊；

布站方式決策模塊（101）

首先，根據靶場的地形環境，在電子地圖上依據理論彈道模型推算出的彈丸落點區域，在電子地圖上設計布站方式和分布均勻的點位，然后，在彈丸落區周圍按所述的布站方式在彈丸落點周圍布設聲震波探測器前端單元；

該模塊從布站圖型和布設數量提供了聲震波探測器前端單元布站方式優化功能:當聲震波探測器前端單元數量n≥3，計算模型中的系數矩陣B可分解為，為正交列滿秩矩陣，G為行滿秩矩陣，將矩陣G的行向量設為，假設g₁為范數最大的行向量，則觀測結構評價因子E為公式1：

式中，B為計算模型中的系數矩陣，其與誤差方程6中的矩陣B相同，g₁為矩陣G范數最大的行向量，E為觀測結構評價因子；

E的范圍為，E的值可以較好的反應結構的優劣，靠近1代表結構較好，靠近0代表結構較差；

確定布站圖型后，可通過增減聲震波探測器前端單元數量的方式進一步優化結構，評價標準依然依靠公式1獲得的觀測結構評價因子E；

系統自檢模塊（102）

該模塊通過4G網絡向聲震波探測器前端單元發送自檢指令，聲震波探測器前端單元接收到指令后，將自檢結果通過4G網絡傳送回中心站單元，中心站單元接收自檢信息并顯示在仿真面板上；

任務管理模塊（103）

該模塊在設備使用前，將相關信息和數據錄入數據庫中進行存儲和管理；系統使用結束后，將氣象數據和試驗數據追加到當天的記錄中；程序采用的數據庫是MicrosoftOffice Access 2003；

數據實時顯示與回放模塊（104）

聲震波探測器采集的信號，經A/D轉換、濾波、放大后，與授時信息合成數據包，通過4G網絡傳送至數據實時顯示與回放模塊（104）進行數據實時顯示與存儲；該模塊還具備以下功能：a)實時顯示聲震波探測器前端單元的電量、網絡連接狀態、北斗定位、聲震波傳感器狀態、SD卡存儲狀態；b)獲得聲震波探測器前端單元坐標，并可以完成GPS84坐標、北京54坐標、靶場自定義坐標之間的轉換；c)重置北斗定位和聲震波傳感器；d)檢核聲震波探測器前端單元的同步精度；e)回放存儲在中心計算機中的原始數據；

狀態信息幀：聲震波探測器前端單元接收到“系統自檢”指令后，作為應答，向中心站發送本單元的聲震波探測器的狀態信息，該信息打包成“狀態信息幀”；

目標時刻自動提取模塊（105）

該模塊從數據實時顯示與回放模塊（104）得到的原始數據中快速提取時延差，提取法有a)峰值提取法或b)能量中心法或c)相關法；

所述的 a)峰值提取法如下：

初步判斷目標可能出現的時間段，選取波形中振幅最大的時刻為特征點，每個聲震波探測器前端單元提取的規則一致，這樣就得到聲波到達第i個聲震波探測器前端單元的時間t_i，將t_i保存在指定的數據處理文件中，通過t_i，便可以獲得時延差；

所述的 b)能量中心法如下：

將波形中超過閾值的部分作為爆炸能量持續過程，以振幅為權，進行加權平均，得到能量按時間分布的中心時刻作為目標時刻，首先，選取起始時刻和結束時刻的中心時刻為基準時刻t₀ ，其余各時刻與基準時刻求差，得到△ti，每個時刻的振幅為Pi，則能量中心時刻為△t=∑(△ti*Pi)/ ∑Pi，目標時刻為：t= t₀+△t，每個聲震波探測器前端單元均按此規則提取；

所述的c)相關法如下：

任意選取一個聲震波探測器前端單元波形作為基本波形，其余聲震波探測器前端單元的波形與其作相關處理，直接得到時間差；具體的步驟：提取所有聲震波探測器前端單元波形信號中包含目標的一段波形，記錄這段波形的起止時刻及波形內每個時刻的振幅，并以波形最短的一個聲震波探測器前端單元為基準，將所有前端單元的起點時刻對齊，求取時間差

△t_0j，任意選取某一個前端單元的波形，與基準波形進行相關處理，處理辦法為：在做相關處理的兩個波形上，每個對應時刻的振幅相減得到一系列振幅差值，將這些振幅差值進行平方求和，將基準數據移動一個時間單元，再求出相應的振幅差值平方和，不斷移動基準波形，直到兩個波形的終點時刻對齊為止，比較所有的振幅差值平方和值，記錄平方和最小時，基準數據移動的次數，時間單元×次數等于移動的時間差△△t_0j, △△t_0j加起始時刻即為這個聲震波探測器前端單元與基準前端單元的時延差；重復上述過程，將所有聲震波探測器前端單元依次與基準前端單元進行比對；

人工提取模塊（106）

該模塊將采集的原始數據讀取并顯示出來，通過鼠標點擊信號曲線上的特征點位置，記錄特征點對應時刻t_i，將t_i保存在指定的數據處理文件中，進而得到聲震波探測器前端單元間的時延差；

氣象采集模塊（107）

該模塊通過串口通信的方式控制氣象設備，當氣象設備收到指令后開始采集氣象參數，試驗前和試驗后分別測量一次；

溫度與聲速近似成線性關系，公式2為：

式中，為聲速，為環境溫度，單位為攝氏度；

時延觀測值修正模型3為：

式中，為聲源發出聲波的起始時刻，風速為，風向角為，風向角是風向與軸正向的夾角，為向量與軸正向的夾角，為時延差修正值；

單目標處理模塊（108）

該模塊根據其他模塊提供的相關數據，選擇交會定位算法，完成單發彈丸落點坐標的計算，將計算結果在電子地圖中顯示，并傳送到指揮顯示大廳，交會定位算法為a)算法1或b)算法2；

所述的a)算法1如下：根據聲震波探測器前端單元與彈丸落點的幾何關系；，構造如下誤差函數公式4：

式中，i為聲震波探測器前端單元的編號，為聲速，為與的時間差，為各聲震波探測器前端單元接收到聲源信號的時刻，為彈丸落點到聲震波探測器前端單元的距離，為彈丸落點的位置坐標，見公式5；

式中，為聲震波探測器前端單元的位置坐標；

對公式4在初值處進行泰勒級數展開，省略二次以上高階項，建立誤差方程6：

式中，為殘差，為聲源坐標估值的改正數，B為系數矩陣，具體形式為公式7：

，

，

，

為觀測值向量，具體形式見公式8：

式中，為迭代計算的初值，即彈丸落點的概率坐標，、和的含義與公式4、5相同；

由初值代入公式5得出；

根據最小二乘原理可列出法方程9：

式中，B為系數矩陣，具體形式為公式7，P為觀測值權陣，它能反映觀測值精度的優劣，當觀測值精度相同，且不考慮彼此相關性時，取單位矩陣；為初值改正數，為觀測值向量；

當矩陣B為列滿秩矩陣時，解法方程可得唯一解10：

將公式10的解算結果與初值相加，即可得到聲源坐標為：

所述的b)算法2如下：根據聲震波探測器前端單元與聲源的幾何關系，可以建立如下方程組 11：

式中，i為聲震波探測器前端單元的編號，為聲震波探測器前端單元的位置坐標，為彈丸落點的位置坐標，為聲速，是聲震波探測器前端單元接收到目標特征點時刻，t為從彈丸落地到基準聲震波探測器前端單元接收到目標經歷的時間，為其他時刻與的時間差；

對方程組11中的n個方程分別展開，然后依次相減可得方程組 12：

式中，，變量含義與方程組11相同；

對方程組12進行消元處理，即可得到一個線性方程組13：

式中，變量及含義與方程組12相同，B為系數矩陣，矩陣元素賦值如下：

，

，

，

對方程組13建立誤差方程14

式中，與矩陣B含義與方程組12、13相同，為計算結果，為殘差；

解誤差方程，可得到聲源的位置坐標；

粗差探測：

初步解算彈丸落點概略坐標值，并計算其到各個聲震波探測器單元的距離d，選第一個聲震波傳感器距離作為基準，其它聲震波探測器單元距離與之相減，得到距離差，利用及聲波傳播速度可反算出時間差，如果沒有粗差，與聲震波探測器單元得到的時間差相差不大，即較小；反之，較大，粗差探測公式15如下：

式中，為聲震波探測器單元獲得的時間差，為反算的時間差，為與的差值；

粗差處理方法：

考慮觀測值可能含有粗差，但解算結果出現明顯錯誤時，需要將穩健估計模型加入到計算模型中；

等價權函數為公式16：

式中，為調整后的權陣，為調整前的權陣，為常數，可根據殘差決定取值范圍，；

具體計算的迭代過程如下：

1) 列誤差方程6，令, ，為觀測權陣，為第一次迭代的觀測權陣；

2) 解算法方程式17；

式中，向量L與矩陣B含義與誤差方程6相同，為計算結果，為初始觀測權陣；

解公式17得公式18和公式 19：

式中，為第一次迭代得到的彈丸落點坐標，第一次迭代的殘差，向量L、矩陣B和權陣的含義與法方程式17相同；

3) 由按公式16確定各觀測值新的權陣，再解法方程17得公式20和公式 21：

式中，為第二次迭代得到的彈丸落點坐標，第二次迭代的殘差，向量L、矩陣B的含義與法方程式17相同，權陣為第2次迭代后得到的觀測權陣；

4) 由按公式16確定各觀測值新的權陣，再解算法方程17，類似迭代計算，直至前后兩次解的差值符合限差要求為止；

5) 最后的結果為公式22和公式23:

式中，為第n次迭代得到的彈丸落點坐標，第n次迭代的殘差，向量L、矩陣B的含義與法方程式17相同，權陣為第n次迭代后得到的觀測權陣；

病態性問題處理方法：

采用嶺估計公式24為：

式中，為彈丸落點坐標計算結果，向量L與矩陣B含義與誤差方程6相同，為嶺參數，為常數，為同階的單位陣，采用嶺跡法選取嶺參數；

多目標處理模塊（109）

當多發炮彈以較短的時間間隔發射時，時常會出現時序混亂的情況，需要對時序重新排序，再對各目標落點坐標進行定位解算，該模塊提供了a)方法1或b)方法2；

所述的a)方法1如下：

將各個聲震波探測器前端單元的目標特征點時刻按從小到大順序進行排列，不考慮時序混亂問題，對每發彈數據進行定位解算，將解算結果依次代入公式5中，反算基準聲震波探測器前端單元到其它聲震波探測器前端單元的距離差，再除以聲速，得時延差，將時延差與觀測值進行對比，所述的觀測值來自于聲震波探測器前端單元采集的原始數據，將差異較大的聲震波探測器前端單元數的時序不斷進行調整，直至所有聲源的反算時延差與觀測值幾乎相同為止；

所述的b)方法2如下：

(1) 選擇布站結構較好的5個聲震波探測器前端單元，將它們的多目標數據進行排列組合，設聲源數為n，則共有n⁵個時序；

(2) 對n⁵個時序進行定位解算，找出方差較小的50個時序；

(3) 同一個聲源不可能重復使用一個聲震波探測器前端單元的兩個時延值，以此為判斷依據，得到最優的時序；

(4) 除了以上選擇的5個聲震波探測器前端單元外，從其它的聲震波探測器前端單元中隨機選取一個作為第6個聲震波探測器前端單元，將其數據加入到計算模型中，進行解算，如果出現殘差較大的情況，必然是后加入的數據出現錯誤，對第6個聲震波探測器前端單元的n！個時序進行調整，找出方差最小的時序；

(5)重復過程(4)，將剩余聲震波探測器前端單元的時序調整完畢。