基于声定位的冷枪发射位置探测仿真

1、毕业论文 基于声定位的冷枪发射位置探测仿真 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012 年 6 月 中文摘要 摘要摘要 在“反恐”等与犯罪分子斗争的过程中，公安、武警等执法人员会遭遇犯罪分子 在隐蔽处的枪击，俗称“冷枪” 。冷枪发射方位的快速确定对于有效保护自己打击罪犯 具有重要的意义。 已有理论研究工作证明，只要选择合适的声探测器组合阵列，配合适合的计算方 法，就可以在一定精度下计算出“冷枪”的发射方位。首先本文介绍了声波的相关理 论，确定了点声源作为声波信号模型；然后经过比较选用了平面十字阵列作为定位阵 列，lms 自适应算法作为时延估计算法来计算“冷枪”的发射方位；接着

2、本文用 matlab 软件对这一定位模型进行了仿真并分析了时延值的精确度以及步长因子对目 标定位结果的影响；最后本文针对该定位模型中的不足之处给出了一些改进方法。 关键词：冷枪,平面十字阵，lms 算法，matlab 英文摘要 abstract in anti-terrorism fights, law enforcement officials may be shot by criminals in the shelter, which is called snipe. in order to avoid getting hurt and fight against criminals ef

3、fectively, it is necessary to locate the criminals fast and accurately. it is proved that locating the snipe in certain accuracy is feasible as long as proper arrays of acoustic detectors and proper algorithm are chosen. first，the thesis introduced relative theory of sound waves and determined the p

4、oint acoustic source as the model of acoustic signal. second, in this thesis, after comparison, four-element cross array was regarded as the arrays for sound source location and the lms algorithm was chosen for time delay estimation .and then based on the theory above, simulation was conducted with

5、the help of matlab to research the project and analyze the influencing factors such as the accuracy of delay time and the step size. finally，the thesis suggested some countermeasures against deficiencies and pointed out some problems remaining to solve. key words: snipe, four-element cross array, lm

6、s algorithm, matlab 目录 i 目录目录 第一章第一章 引言引言 .1 1 1.1 声测定位技术研究的目的和意义 .1 1.2 被动声定位技术国内外研究现状 .1 1.3 本论文主要研究内容 .2 第二章第二章 大气中声波的传播规律及武器中特有的声波大气中声波的传播规律及武器中特有的声波 .3 3 2.1 与声波相关的物理量 .3 2.1.1 声功率.3 2.1.2 声压和声压级.3 2.1.3 声强和声强级.4 2.1.4 声能密度.5 2.2 声波传播模型 .5 2.2.1 点声源.5 2.2.2 平面波.5 2.2.3 球面波.6 2.2.4 柱面波.6 2.3 声波传

7、播过程中的衰减 .7 2.3.1 距离衰减.7 2.3.2 吸收衰减.7 2.4 环境对声传播的影响 .9 2.4.1 温度对声传播的影响.9 2.4.2 风对声传播的影响.10 2.5 武器中特有的声波 .10 2.5.1 弹头声波信号的产生.10 2.5.2 弹头冲击波.11 2.5.3 膛口激波.13 2.6 本章小结 .15 目录 ii 第三章第三章 声定位原理声定位原理 .1616 3.1 声测阵列 .16 3.2 时延估计算法 .17 3.2.1 时延估计概述.17 3.2.2 常用的时延估计算法.18 3.2.3 自适应滤波算法简介.19 3.2.4 lms 自适应滤波器原理 .

8、20 3.2.5 影响 lms 算法性能的因素.21 3.2.6 lms 算法的优缺点 .23 3.3 本章小结 .24 第四章第四章 matlab 仿真仿真.2525 4.1 matlab 仿真分析.25 4.1.1 声波信号模型.25 4.1.2 采样频率的选择.25 4.1.3 时延估计.29 4.1.4 估计结果.32 4.1.5 仿真中暴露出来的问题.32 4.2 本章小结 .32 第五章第五章 全文总结和展望全文总结和展望 .3333 5.1 全文总结 .33 5.2 对未来的展望 .33 附录附录 a a 定位阵列仿真程序定位阵列仿真程序.3434 附录附录 b b 时延估计仿真

9、程序时延估计仿真程序.3636 参考文献参考文献 .3838 致谢致谢 .3939 清华大学 2012 届毕业论文 1 第一章第一章 引言引言 1.1 声测定位技术研究的目的和意义声测定位技术研究的目的和意义 声测定位技术是通过声学传感装置接收声波，再利用电子装置将声信号进行转化 处理， 以此实现对声源位置进行探测、识别并对目标进行定位及跟踪的一门技术。 声测技术产生于第一次世界大战，当时人们根据火炮发出的声音测定火炮的位置。 经过两次世界大战，声测定位技术获得了空前发展。 在第二次世界大战和朝鲜战争中 75%的战场火炮侦察任务是依靠声测手段完成的。但由于其布设时间长、测量精度低、 反应速度慢

10、而逐渐被诸如红外、激光等其他探测手段所取代。但由于不同技术有各自 不同的特点，随着声探测技术的改进和电子计算机、现代通信技术的应用这项古老的 探测技术又重新焕发了青春。 声测定位技术按探测方式的不同可分为主动和被动两种方式。因主动式探测系统 在探测敌方的同时也暴露了自己，因此人们把注意力转移到了由被动传感器组成的探 测系统上。其中利用目标在运动过程中所辐射的声波来探测、识别目标并对目标有定 位和跟踪能力的声探测系统受到重视。由于声探测技术利用了声波原理并以被动方式 工作，因而具有如下特点： (1)不受视线和能见度的限制； (2)隐蔽性好，保密性强， 难以被发现； (3)不易受干扰，这在电子对抗

11、年代尤其重要。 在现代战争中，战场传感监视系统是进攻和防御的有效手段之一，被动声探测技 术因其上述优点，越来越受到世界各军事强国的重视。1 1.2 被动声定位技术国内外研究现状被动声定位技术国内外研究现状 从八十年代末起，一些国家相继进行了声测系统方面的研究。20 世纪 90 年代国外 装备的新型声测系统，如瑞典的 soras 6 炮兵声测系统、美国的 pals 被动声定位系统、 英国的 halo 地方火炮定位系统、以色列的 igloo 系统等。都是采用计算机的自动 定位系统，探测距离可达 2040km。雷达难以在强电子干扰环境中有效地探测空中目 标，并难以探测超低空飞行的直升机和巡航导弹。而

12、声探测系统却可以不受干扰地接 收并识别飞机发动机、直升机旋翼产生的特征信号，实施预警。瑞典的“直升机搜索” 系统、英国的哨兵系统、以色列的声预警系统等就是以直升机、低速飞机为目标的声 探测系统。美国研制的单兵操作的小型声测系统，则是完成监听和警戒任务的声探测 系统。该系统可接收 14khz 的声音，并通过声学和流体力学的结合将声音放大，从 清华大学 2012 届毕业论文 2 而监听话音和其它声音，在敌人临近时发出报警信号。目前，这些国家研制的声测系 统都具有战场侦察、目标定位跟踪和敌我识别等综合作战能力，而且它们的研制已经 进入了实质性的研制阶段。 近些年又出现了许多单兵声测系统及车载声测小基

13、阵，这些声测系统结构简单， 可以被动地检测飞机、坦克、车辆、炮位以及说话声音的方位，而且还具有监听的功 能。 国外在将地面声测技术用于地面武器系统，如新型智能地雷，尤其是反直升机地 雷和反坦克地雷等研究，已开展了十余年的研究工作。在国内，南京理工大学、北京 理工大学和中国兵器工业第 203 研究所等承担了反直升机和反坦克智能雷的研究工作， 并且已取得了一些成果。2 总的来说，我国在这方面的研究仍处于预研阶段，拟采用的技术手段和途径仍处 于可行性探索阶段，与其它国家相比还有很大的差距。因此，加速我国被动声测定位 系统技术的研究是必要的，紧迫的，是对地面防空力量的重要补充。随着人工神经网 络、模糊

14、技术、计算机技术与人工智能、自适应信号处理技术、阵列技术以及其它各 种相关技术的进一步发展，未来的声测系统与这些技术的结合，将使声测系统向更加 智能化的方向发展。 1.3 本论文主要研究内容本论文主要研究内容 本论文将基于被动声定位理论就“冷枪”的定位进行研究，并用 matlab 软件对 其进行仿真。 本论文的章节安排如下： 第一章 介绍本论文的研究背景和意义。 第二章 从相关概念出发首先介绍大气中声波的传播规律、声波的传播模型、声波 传播过程中的衰减、环境对声波的影响等相关理论，然后介绍针对该课题 的武器中两种特有的声波。 第三章 介绍声定位原理，包括作为声定位阵列的平面四元十字阵模型和作为

15、时延 估计算法的自适应滤波算法。 第四章 应用 matlab 对所建模型进行仿真，并对仿真结果进行分析。 第五章 对全文进行总结，并指出有待进一步研究的工作。 清华大学 2012 届毕业论文 3 第二章第二章 大气中声波的传播规律及武器中特有的声波大气中声波的传播规律及武器中特有的声波 声波通常是指空气中传播的纵波。频率为 2020000hz 的声波，能够引起人们的听 觉，称为可闻声波，简称声波。频率为 10-420hz 的称为次声波；频率为 200005108hz 的称为超声波；次声波和超声波都不能引起人的听觉。 2.1 与声波相关的物理量与声波相关的物理量 2.1.1 声功率 声源在单位时

16、间内辐射的总声能量称为声功率。常用 w 表示，单位为(w)。声功 率是表示声源特性的一个物理量。声功率越大，表示声源单位时间内发射的声能量越 大，引起的噪声越强。声功率的大小，只与声源本身有关。 2.1.2 声压和声压级 目前，在声学测量中，直接测量声强较为困难，故常用声压来衡量声音的强弱。 声波在大气中传播时，引起空气质点的振动，从而使空气密度发生变化。在声波所达 到的各点上，某一瞬间介质中的压强相对于无声波时压强的改变量称为声压，记为p(t)， 单位是pa。 声音在振动过程中，声压是随时间迅速起伏变化的，人耳感受到的实际只是一个 平均效应，因为瞬时声压有正负值之分，所以有效声压取瞬时声压的

17、均方根值： 2 0 1 ( ) t epp t dt t 通常所说的声压，若未加说明，即指有效声压，若p1、p2分别表示两列声波在某一 点所引起的有效声压，该点迭加后的有效声压可由波动方程导出，为 22 12e ppp 声压是声场中某点声波压力的量度， 在自由声场中多声波传播方向上某点声强与声压 p、介质密度和声速c存在如下关系： 2 p i c 声压级定义：把声压的有效值取对数来表示声音的强弱，这种表示声音强弱的数 值叫声压级。声压级用符号spl表示，单位为分贝(db)， 清华大学 2012 届毕业论文 4 20lg e ref p spl p 式中为待测声压的有效值，为参考声压，在空气中，

18、参考声压一般取 e p ref p ref p 210-5pa。 正常人耳对1khz声音刚刚能察觉其存在的声压值（20pa）被称为1khz声音的可听 阈声压。一般来说，人耳不能察觉到低于这一声压值的声音的存在。另外，当声压达 到20pa，即声压级为120dbspl时，人们的耳朵会感觉到疼痛，因此，在声学或医学上 把20pa=120dbspl定义为痛阈，长时间在此环境下工作，会对听觉系统造成伤害。 2.1.3 声强和声强级 声强是衡量声音强弱的一个物理量。声场中，在垂直于声波传播方向上，单位时 间内通过单位面积的声能称作声强。声强常以 i 表示，单位为 wm-2。声强实质是声 场中某点声波能量大

19、小的度量，声场中某点声强的大小与声源的声功率、该点距声源 的距离、波阵面的形状及声场的具体情况有关。通常距声源愈远的点声强愈小，若不 考虑介质对声能的吸收，点声源在自由声场中向四周均匀辐射声能时，距声源 r 处的 声强为： 2 4 w i r 人类能听到的声音的频率范围其上下限相差 103倍，而能听到的声强范围则大得多。 例如，对 1khz 的机械波，刚好能听见的声强约为 10-12w/m2，而能承受的最大声强 （超过此声强将引起耳鼓膜的疼痛感）可达 1w/m2，两者相差 1012倍，如此大的声强 范围给声强的比较带来了不便，此外，实验表明，人耳对声压强弱的主观感觉响 度并不与声强成正比，而是

20、近似的与声强的对数成正比，因此，引入了声强级的概念。 取声强 10-12 w/m2为标准声强，记作，其他声强 i 与标准声强的比值的对数为声强 0 i 0 i 的声强级，记作 l1，即 1 0 lg i l i 声强级的单位为贝尔（b） ，由于贝尔的单位太大，通常用贝尔的 1/10 为单位，称为分贝（db） ， 以分贝为单位时，声强级公式应为 清华大学 2012 届毕业论文 5 1 0 10lg i l i 如声强级为 1db时，i/i0=100.1=1.26；声强级为 60db 时，i/i0=106。表 2.1 列出了常见的声 强级。 表 2.1 常见声波的声强级3 i/i0/db1li/i

21、0/db1l 风吹树叶 正常交谈 机器房 大瀑布 102 106 108 109 20 60 80 90 摇滚乐 开炮 汽铆 喷气飞机起飞 1012 1012 1013 1015 120 120 130 150 2.1.4 声能密度 介质由于声波的作用得到的能量为声场的声能，单位体积声能称为声能密度，用 表示： 2 2 2 11 22 p u c 其中，p为声压，为介质密度，u为振动速度，c为声波的传播速度。 2.2 声波传播模型声波传播模型 我们形象地把波的传播方向称为波线（或射线） ，把某一时刻振动所传播到的各点 所连结成的曲面称为波前（或波阵面） ，而把传播过程中振动相位相同的各点所连结

22、成 的曲面，称为波面（或同相面） 。一般按波前的形状将声波划分为平面波、柱面波与球 面波。 2.2.1 点声源 点声源是理想化的声源模型。若声源的大小和形状与声波的传播距离相比较，可 以忽略不计，则我们可以把它当作点声源。在各向同性的介质中，振动在各个方向上 的传播速度大小是相同的，因此，振动从点声源出发，在各向同性介质中向各个方向 传播出去，其波前和波面都是以点声源为中心的球面。若点声源在无穷远处，则在一 定范围的局部区域内，波面和波前的形状都近乎是平面。 2.2.2 平面波 清华大学 2012 届毕业论文 6 波阵面为平面的声波称为平面波，在各向同性的介质中波线恒与波面垂直。因此 在平面波

23、的情况下，波线是与波面垂直的许多平行直线。 平面波的声压： 1( ) r pf t c 理想介质中，谐和振动产生的声压可表示为： ()jt k r m pp e 其中：表示声压的幅值，为波数。 m pk c 平面波的声强： 2 t p i c 上式描述的声场是一个波阵面为平面、沿半径方向以速度c传播的平面行波。可 以看出，平面波在均匀的理想介质中传播时，声压幅值 (或 a)是不随距离改变的常 m p 数，也就是说声波在传播过程中幅度不会有任何衰减。 2.2.3 球面波 波阵面为同心球面的声波称为球面波。在各向同性的介质中波线与波面垂直，因 此在球面波的情况下，波线从点波源出发，沿径向呈辐射状，

24、如图 23 所示。点声源 发出的声波即为球面波。 球面波的声压： 1 1 () r pf t rc 球面波的声强： 2 t p i c 可以看出，用声压表示的球面波的声强在关系形式上仍与平面波声场的一样，但 因为球面波声压与距离的一次方成反比，因而声强不再处处相等，而是随距离r的平 方反比地减小。 2.2.4 柱面波 波阵面为柱面的声波称为柱面声波。一无限长的圆柱体，实际上只要长度比声波 的波长大许多倍，而圆柱半径却比波长小许多倍，则这时所辐射的声波就是轴对称柱 面波，其波阵面便是以轴为对称的同心柱面。 均匀柱面波的声压： 清华大学 2012 届毕业论文 7 (2) 000 ()()() j

25、tj t pa jkrjnkr eahkr e 其中：=为零阶第二类汉克尔函数，为零阶贝赛尔 (2) 0 ()hkr 00 ()()jkrjnkr 0( )jkr 函数，为零阶诺依曼函数。 0( )nkr 当 kr1 时 (2)(/4) 0 2 () j kr hkre kr 柱面波的声强： 2 t p i c 可以看出柱面波声强，其与平面波的表示式也类似，但这里声压p与成反比，r 因此柱面波的声强依距离的一次方而衰减。 2.3 声波传播过程中的衰减声波传播过程中的衰减 前面讨论了声波在无界空间里的自由传播规律，然而声波在传播路径上常会遇到 各种各样的障碍物或边界。声波在传播过程中由于传播距离

26、的增加，介质的吸收以及 障碍物的屏蔽等因素，使得声波发生衰减。 2.3.1 距离衰减 (1) 点声源的距离衰减 在自由与半自由声场中，点声源声压级随距离的衰减计算式为： 2 12 1 20lg() ppp r llldb r 即距离每增加 1 倍，声压级衰减 6db。 (2) 线声源的距离衰减 通常，长度远远大于宽度和厚度的声源可视为线声源。线声源辐射的是柱面波。 在自由声场中，一个无限长的线声源，其声压级随距离的衰减计算式为： 2 12 1 10lg() ppp r llldb r 即离开线声源的距离增加 l 倍，声压级衰减 3db。 2.3.2 吸收衰减 清华大学 2012 届毕业论文 8

27、 (1) 大气吸收 大气声吸收主要有以下三种方式： 第一种是经典声吸收，这种吸收是由于大气分子之间的摩擦，而使得温度升高的 粘滞吸收。吸收系数为： 2 3 2 c 其中，为粘滞系数，c 为声速，为角频率，为大气密度。 第二种是热传导吸收，这种吸收是由于温度梯度使得声波传播过程中有热传导现 象，由于热传导引起的大气吸收称为热传导吸收。其吸收系数为： 2 3 11 () 2 vp ccc 其中，为热传导系数，和，为定容比热容和定压比热容。 v c p c 第三种是驰豫声吸收，这种吸收是因为在弛豫过程中产生了有规声振动转变为无 规热运动的附加能量耗散，即引起了声波的附加吸收也称驰豫吸收或反常吸收。吸

28、收 系数为： 2 0 322 21 r c 其中，为低频容变粘滞系数，等于1 的时候的的值，为驰豫 0 0 vn v c c 时间，为外自由度能量引起的定容比热容。 vn c 综上所述，总的声吸收系数用下列公式表示为： 2 0 322 411 () 231 vp ccc 其中，为切变粘滞系数。 若不考虑驰豫声吸收，则总的声吸收系数为： 2 3 411 () 23 vp ccc 这就是著名的斯托克斯一基尔霍夫公式，是声吸收系数的经典公式。 清华大学 2012 届毕业论文 9 从以上我们可以得到一个关于吸收系数口的重要特性。那就是吸收系数与频率 的平方成正比，即频率愈高，吸收愈大，因而声波的传播距

29、离愈小；反之，频率愈低， 吸收愈小，因而声波的传播距离愈大。所以低频声波在空气中可以传很远的距离，而 高频声波在空气中很快就衰减了。 (2) 植被和气流的吸收 声波在大气中传播同时还要受到地面植被吸收和气流吸收，植被声吸收系数在高 频段较大，低频段很小，在传播距离小于 200m 时，植被吸收系数很小。4 2.4 环境对声传播的影响环境对声传播的影响 声波在大气中传播时，除了球面波发散引起的声衰减以及由于声波的反射、衍射 和散射引起的损失外，还有由环境和其他条件引起的逾量衰减，它包括下述几种因素： 雨、雪、雾等气象条件；风和温度梯度；草地、灌木林、树木等地面效应。 战场环境中，对声传播影响最大的

30、气象因素是温度和风。 2.4.1 温度对声传播的影响 温度对声音的影响表现在对声速的影响。空气中，声音是以纵波形式传播的。声 速是气体中各种分子量、比热、温度的函数： crt m 式中 c：声速 ：气体比热 m：气体分子量 t：氏温度 r：普适气体常数 空气中的声速可用经验公式表示为： 331.4 1331.40.6 273.16 t ct 式中 t为摄氏温度 在空气中，温度越高，声音传播的速度越大，反之越小。当温度梯度为正，即上 层温度高于下层温度时，声音的传播会向上弯曲，反之，当温度梯度为负，即下层温 度比上层温度高时。声音的传播会向下弯曲。在近地层大气中，温度是不均匀分布的， 清华大学

31、2012 届毕业论文 10 近地层中温度的分布总是存在着梯度，有时呈现正温度梯度，有时呈现负温度梯度。 因此，在定向和定距中，大气温度的不均匀性及多变性，对声音的传播影响很大。 2.4.2 风对声传播的影响 众所周知，在气象学上，在靠近地面的1215km范围内的薄层大气称为大气 边界层。该层内根据空气受地面影响不同又将50100m以下气层称为近地层。 根据声信号的使用特点，它主要工作在近地层。近地层内，一般风的速度为每秒 几米，大风时，可以达到每秒十几米，甚至更大些。风对声信号的干扰一是风速对有 效声速的影响。二是风速梯度使声线产生弯曲，三是风速的变化以及由于气流通过声 引信形成的湍流和由于周

32、围气流不断变化而形成的湍流，在声引信上产生很大的交变 电压，使测量结果产生误差。前两种干扰将使对声目标的测向及定位产生误差，而后 一种干扰则使声引信收到的信号信噪比下降。对此可以在预处理中通过去除均值和趋 势项来减小它对目标信号的影响。另外，各路信号的幅度响应也不完全一致，可以通 过规范化预处理来消除由于各路信号幅值的差异对时延估计精度的影响。 某一时刻空间一点某一方向上的风速为 g 式中，为平均风速；为阵风风速。 g 实际观测表明，近地层中风的大小和方向随时间变化很迅速，对声引信来讲，平 均风主要影响其探测距离，阵风主要影响其信噪比，进而影响对目标探测的正确率。5 2.5 武器中特有的声波武

33、器中特有的声波 2.5.1 弹头声波信号的产生 狙击步枪射击时可以产生两种瞬态声音信号:第一种是子弹被击发过程中子弹的火 药爆炸，高温、高速、高压气流将弹头推出枪口时形成的膛口激波；第二种是弹丸在 大气中超音速飞行时产生的冲击波，也叫做马赫波 (machwave)。 清华大学 2012 届毕业论文 11 图 2.1 小口径武器击发过程中产生的声波信号 弹头冲击波和膛口激波的波形参数携带了枪械口径、子弹飞行的弹道参数等信息， 而它们到达麦克风的时间和方向确定了射击者和探测器之间的相对位置，通过对这两 种声音信号的检测和识别，可以对射击者的进行定位。因此对于狙击手声探测系统来 说，这两种声波信号至

34、关重要。 图 2.2 枪声传播模型 2.5.2 弹头冲击波 弹丸在大气中超音速飞行时，弹头表面与空气剧烈摩擦时会产生强烈的啸叫声， 这个声音信号就是弹头冲击波信号，它是以锥形的方式向外扩散，这个锥体也叫做马 赫锥，弹丸在马赫锥的顶点，锥面以声速远离弹丸飞行路径向外传播，示意图如图 2.2 所示，是马赫角，m 为马赫数，c 为一个大气压下的声音速度，有 (2.1) 1 arcsin() m m (2.2)/mv c 清华大学 2012 届毕业论文 12 根据式 2.1 和 2.2，声速 c 一定时，m 与 v 成正比。当子弹速度 v 远大于声速 c 时， 则马赫数 m 较大，马赫角很小；当 m

35、无穷大时，=0，弹头冲击波几乎垂直于子弹 m 飞行的弹道向外传播。当子弹的速度 v 接近声速 c 时，m 约等于 1，而接近 90， m 冲击波近似与子弹路径平行传播。一般情况下，如果射击者与目标相距数百米，则要 考虑空气阻力对子弹速度的影响。当子弹受到空气的摩擦，其速度将逐渐减小，同时 冲击波的马赫角逐渐变大，直到冲击波消失，子弹速度减至低于音速之前，马赫角 趋于 90。因此，实际马赫锥的锥面是凸的。 m 图 2.3 超音速冲击波 子弹超音速飞行过程中，弹头前的空气迅速地被压缩，被压缩空气的压强快速上 升一个最大值 pmax；空气压缩之后的空间内空气比较稀薄，近似为真空状态，压强迅 速下降，

36、短时间内到达一个相应的负压 pmin，弹丸飞过后，压强突然相互抵消，恢复 正常值 p0因此，整个过程冲击波信号波形成“n”形状，示意图如图 2.4。 清华大学 2012 届毕业论文 13 图 2.4 “n”形波的形成 根据图 2.3 和图 2.4，pmax与周围正常压强 p0比为： (2.3) 1 2 8 max 31 0 44 (1) 0.53 ()( ) p missp d pm p dl 式中，为子弹的口径，为子弹的长度，m 是马赫数，为麦克风到弹道的距离。 p d p l miss d “n”波持续时间 t 为： 1 4 31 2 84 ()1.82 ( )(1) p miss p d

37、 md t c lm （2.4） 式 2.3 和式 2.4 在远场情况下非常有效，由式 2.3 和式 2.4，冲击波信号峰值压强 pmax 和持续时间 t 的比值为： 2 max0 1.82 0.53 1 miss m dt pc p m 2.5.3 膛口激波 步枪射击时，子弹的火药在窄小的空间内燃烧产生的高温、高压、高速的爆炸气 流将弹丸推出枪膛，当子弹出膛后，喷出枪口的气流形成了膛口激波，以声速从枪口 向四周传播。膛口激波信号近似为球面波，如图 2.5 所示；随着传播距离的增加，其强 度遭到严重衰减；同时它的频率较低，与冲击波相比，更易受到干扰和噪声的影响。 清华大学 2012 届毕业论文

38、 14 图 2.5 膛口激波的形成 膛口激波携带了射击者方位信息，从麦克风的角度看，如果传播路径中没有障碍 物，膛口激波直接从射击者传向麦克风方向。当射击者与麦克风之间存在建筑等障碍 物时，膛口激波就会被遮挡；同时射击者也可以装备消声设备来削弱膛口激波，因此 膛口激波不是一个非常稳健的信号。 膛口激波与冲击波不同，其信号强度较弱，频率低。在冲击波信号之后出现，冲 击波的反射波和较大的噪声就可以将膛口激波淹没，特别是麦克风远离射击者的时候。 因此，膛口激波在检测之前要进行必要的处理，目的是抑制或削弱不需要的噪声和干 扰，同时提高膛口激波信号的信噪比，以便有利于信号的检测。 膛口激波信号本身强度较

39、弱，但它有着自身的特点。冲击波及其反射波能量主要 分布在高频，而膛口激波的能量主要集中在约 1 00hz600hz 的低频范围内，接收到的 枪声信号经过带宽为 500hz 左右的带通滤波处理，可以滤除大部分的噪声、冲击波反 射波的能量，以消除对膛口激波的干扰。 图 2.6 膛口激波时域模型 清华大学 2012 届毕业论文 15 未经过处理的膛口激波时域波形图如图 2.6。根据模型图对膛口激波的时域特征参 数进行分析，获取的特征参数如下： (1) 膛口激波的持续时间 tm，即点 a点 e 持续时间。 (2) 正峰上升持续时间 tmr，即点 a点 b 持续时间。 (3) 正峰持续时间 tm1，即点

40、 a点 c 经历的时间。 (4) 负峰持续时间 tm2，即点 c点 e 持续时间。 (5) 正压峰值到负压峰值的持续时间 tm3，即点 b点 d 持续时间。 (6) 膛口激波压力最大值 pmax。 (7) 膛口激波压力最小值 pmin。 (8) 膛口激波的功率 pm，tm持续时间内的信号功率，即：。 2 1 1 ( ) m t m n m pxn t (9) 膛口激波正峰值 tm1时间内的功率 pm1：。 1 2 1 1 1 1 ( ) m t m n m pxn t (10) 膛口激波正峰值 tm2时间内的功率 pm2：。 2 2 2 1 2 1 ( ) m t m n m pxn t (1

41、1) 膛口激波正峰值 tm3时间内的功率 pm3：。 3 2 3 1 3 1 ( ) m t m n m pxn t (12) 膛口激波冲击波正压上升速率 rup，即 ab 段幅值上升速率。表征单位时间 内压力上升的大小。rup=(pmax-pa)/ tmr，其中 pa为点 a 的压强。 上述的 em与检测环节中数据帧能量 ed是有不同的意义的。ed是信号经滤波处理 后的能量，是为了检测该数据中是否含有可能的膛口激波信号；而 pm，pm1， pm2，pm3是未经过滤波处理的信号功率，是过门限检测后进一步对信号的能量进行分 析，是待识别信号的原始特征。6 2.6 本章小结本章小结 本章从声的相关

42、概念出发介绍了声波在大气中的传播规律、声波的传播模型、声 波传播过程中的衰减、环境对声波的影响等相关理论，接下来针对该课题介绍了武器 中两种特有的声波，即弹头冲击波和膛口基波，为以后的 matlab 仿真提供信号源模 型。 清华大学 2012 届毕业论文 16 第三章第三章 声定位原理声定位原理 利用目标运动时发出的噪声来确定目标的位置，是被动声探测系统测定目标位置 的关键技术，系统以被动方式测出目标声音的参数，利用声程差和传声器阵列的几何 关系来确定目标方向和距离。 在声测定位系统中,如何有效地提高定位精度是当前研究的热点问题。声测阵列和 时延估计算法的选择是影响定位精度的主要因素,因而对声

43、测阵列和时延估计算法的研 究成为当前的关键技术。 3.1 声测阵列声测阵列 声测阵列可分为线阵、面阵和立体阵。在这些阵形中，线阵结构最简单，应用也 很广泛，舰艇的声纳系统常用线阵。对于固定式阵列来说，线阵只能对阵列所在直线 为界的半个平面进行定位，否则没有唯一解。面阵可以在整个平面对目标进行定位， 也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位。立体阵则可以对整个空间定位，但 其算法要复杂得多。由于声定位系统布置于地面，目标为低空，超低空飞行目标，因 此采用平面阵是可行的。对线阵进行组合，构成面阵，就可以对空间目标进行定位。 由于阵列形式的不同，定位算法性能和精度也大不相同，所以选择一个好的阵形在

44、被 动声定位中有着重要的作用。三维空间中的定位有三个自由度，对应要有三个独立的 时延才能得到目标位置，那么至少需要四个传感器才能实现对空间目标的定位。现使 用的试验系统中主要采用的有平面四元阵、立体四元阵和立体五元阵。 考虑到定位要求及其快速性，对于该课题的情况采用平面阵作为定位阵列较为适 宜。由于十字形阵列具有分维特性(指二维参量可分开估计)，且阵列冗余度也较小， 因此，本课题采用平面四元十字阵作为定位阵列。 对十字形声传感器阵列，可建立如图 3.1 所示的直角坐标系。四个阵元的坐标分 别为 s1(d/2，0，0)，s2(0，d/2，0)，s3 (-d/2，0，0)，s4 (0，-d/2，0

45、)，设目标声源的 直角坐标为(x，y，z)、球坐标为(r，)，即目标到坐标原点的方位角为，俯仰角 为,d 为十字阵对角线阵元之间的距离。 清华大学 2012 届毕业论文 17 x z y s1 s2 s3 s4 假设目标为点声源，目标产生的声源以球面波的形式向外传播，声源到达阵元s1 的传播时间为t1，相对于s1声源到达阵元s2，s3，s4的时延分别为、。目标到 坐标原点的距离为r，俯仰角为 ( 090)，方位角为 ( 0360)与时延 、及阵元间距d的关系式可推导如下：(设c为声速) (x-d/2)2+y2+z2=(ct1)2 x2+(y-d/2)2+z2=(ct1+c (x+d/2)2+y

46、2+z2=(ct1+c13)2 x2+(y+d/2)2+z2=(ct1+c14)2 球坐标和直角坐标之间的互化为 x=rsincos y=rsinsin z=rcos 求解方程消去x,y,z可得出目标、方位角和俯仰角信息8 3.2 时延估计算法时延估计算法 3.2.1 时延估计概述 所谓时间延迟，简称时延，是指在阵列被动定位中，不同接收器所接收到的信号 的同波阵面之间存在的时间差。它是由于信号传输距离不同而引起的。时间延迟估计 是指利用参数估计和信号处理的理论和方法，对上述时间延迟进行估计，并由此进一 步确定其它有关参量，例如信源目标的距离、方位、运动方向和速度等。基阵通过检 测各阵元接收信号

47、问的时延，并根据声阵的几何关系来确定目标的空间位置。因而， 图 3.1 十字阵阵图及定位图 清华大学 2012 届毕业论文 18 时延估计是影响目标定位精度的关键性技术之一。 3.2.2 常用的时延估计算法 常用的时延估计算法有互相关法、广义互相关法、相位谱法、参量模型法、高阶 统计量法及自适应滤波法等。 互相关法是通过计算两路信号的互相关，互相关最大值点所对应的位置即为两路 信号的时延。互相关法计算量小，硬件要求低，缺点是时延估计的稳定性、可靠性和 精度易受环境的影响，易造成相关函数的模糊性，出现模糊的相关峰或伪峰，时延估 计精度较差，优点是运算简捷速度快。适用条件是声传感器间距较小、信噪比

48、高。 广义互相关法则是先对接收信号进行预滤波处理，之后求取相关函数。利用此方 法进行时延估计时，滤波加权函数的选取对时延估计的精度有重要的影响。该方法计 算量中等，硬件要求较高。缺点是权函数的选择恰当与否对时延估计精度具有较大影 响，对于功率谱随频率变化很大的信号引起的时延估计误差较大，且依赖于信号及噪 声的先验信息，这在实际过程中往往难以获得，只能用它们的估值来代替，也影响了 一定的估计效果。优点是具有一定的抗干扰能力和较高的时延估计精度，一定程度上 适于实时处理。适用条件是功率谱随时间变化平稳，声传感器间距较小，信噪比适中。 相位谱法是通过对两路信号求互功率谱，并通过测量两路信号互功率谱相

49、位的斜 率，根据相位与时延的近似线性关系来确定两路信号的时延，并采用最小二乘法进行 数据拟合，以减少时延估计误差。相位谱法计算量大，硬件要求一般，缺点是只有提 高时延估计的采样频率和延长观测时间才能提高时延估计的精度，但这将大幅度加大 运算量，不便于实时性要求，优点是精度方面比互相关法要高。适用条件是声传感器 间距较小、信噪比高，且相位和时延有近似的线性关系。 参量模型法是一种实现高精度、连续可变数字时延估计的方法，该方法利用 fir 数字滤波器的线性相位关系，通过调节权函数，连续改变信号时延，进而得到时延的 精确估计。用参量模型法进行对延估计，时延可通过一个有限脉冲响应函数滤波器表 示，这样

50、时延估计便转化为对滤波器的参数估计。这种方法的所有计算都在时域进行， 避免了数据长度有限时，在频域估计方面遇到的困难。但该方法要求数字滤波器脉冲 响应序列的包络满足偶对称条件，因为只有在该条件满足时，滤波器的输出信号经重 构后，形成的连续信号与原输入信号之间具有线性相位时延关系，时延的大小取决于 清华大学 2012 届毕业论文 19 连续单位脉冲响应函数的对称轴位置。参量模型法计算量稍大，硬件要求一般，缺点 是运算及辅助硬件要求较高，实现 fir 滤波器的最佳设计困难，不适于实时处理。优 点是一种实现连续可变时域时延估计的方法，时延估计精度高。 高阶统计量不仅可以自动抑制高斯有色噪声的影响，而

51、且有时也能够抑制非高斯 有色噪声的影响；高阶循环统计量则能够抑制任何平稳噪声的影响。因此，基于高阶 统计量的时延估计方法一般假设信号是非高斯分布的，而噪声则是服从高斯分布或对 称分布的。这样传感器接收信号经过高阶统计量的处理，将抑制噪声分量，保留有用 信号分量，然后使用一些准则函数和自适应迭代方法来估计时延。高阶统计量的计算 量普遍较大，往往难以满足实时性的要求。 自适应滤波法是一种基于自适应信号处理技术的时延估计方法。这种方法大致可 以分为两种情况：一种是在进行时延估计之前，利用自适应滤波器消除信号中的噪声， 然后再进行相关或其它时延估计。另一种方法是直接或间接利用自适应滤波器来进行 对延估

52、计。与其它各种时延估计方法相比较，自适应时延估计有三个主要优点：第一， 自适应方法无需或只需要很少有关输入信号和噪声的统计先验知识；第二，由于自适 应滤波器的参数是在迭代过程中根据某种最优准则不断调整的。因此，自适应时延估 计可以用于跟踪动态或变化的输入环境；第三，由于自适应滤波器的权向量中包含了 两接收信号之间的全部相关信息，且自适应算法比较简单，因此，利用自适应方法可 以比较准确，比较快速地估计出两接收信号间的时间延迟。 由于自适应滤波法算法简单，且定位较为准确，故本课题采用其作为时延估计算 法。 3.2.3 自适应滤波算法简介 自适应滤波指的是在滤波过程中不需要外在的干预，自我的进行信号

53、的提纯，在 这一过程中，参数的调整是自动完成的，也就是混并不需要或者只需要很少的关于信 号与噪声的先验统计知识。白适应滤波器与普通滤波器不同，它的冲激响应或滤波系 数是随外部环境的变化而改变的，经过自动调节收敛后达到最佳滤波的要求。自适应 滤波器本身含有一个重要的自适应算法，这个算法可以根据输入、输出及原参考值， 按照一定准则修改滤波系数，以使它本身能够有效地跟踪外部环境的变化。一个典型 的自适应滤波系统如图3.2所示 清华大学 2012 届毕业论文 20 输入向量u(n) 横向滤波器( )w n 自适应算法 输出信号 y(n) + - 误差信号 e(n) 期望响应 d(n) 图3.2 自适应

54、滤波系统 自适应滤波器输入信号经滤波器滤波后产生输出信号，参考信号为某一过程所需 要考量的期望值，输出信号和参考信号在自适应算法的作用下对滤波器的系数按照一 定规则进行调整。输出信号是针对参考信号进行估计的，滤波系数受自适应算法的控 制并自动调整，自适应处理收敛稳定后，使输出信号的估计值等于所期望的信号。 3.2.4 lms 自适应滤波器原理 lms 算法是线性自适应滤波算法。一般来说，它包含两个基本过程： 1. 滤波过程(filtering process) 包括：(a)计算线性滤波器输出对输入信号的影响； (b)通过比较输出结果与期望响应产生估计误差。 2. 自适应过程(adaptive

55、process) 根据估计误差自动调整滤波器参数。 这两个过程一起工作组成一个反循环，如图 3.2 所示。首先，我们有一个横向滤波器 （围绕它构成 lms 算法） ；该部件的作用在于完成滤波过程。其次，我们有一个对横 向滤波器抽头权值进行自适应控制过程的算法，即图中标明的“自适应算法”部分。7 滤波器原理如图 3.3 所示。语音信号 u(n-)相当于 u(n)经过了一个相移滤波器 hu (n) , hu (n)的峰值坐标对应的就是时延。采用 lms 自适应滤波器实现时延估计，就是用一 个自适应滤波器模拟 hu (n)，通过插入一段与基本输入端时间延迟相等的时延，使两路 信保持最大的相似性，并使

56、系统的均方误差达到最小，最终由收敛的滤波器权矢量求 得时延估值。 清华大学 2012 届毕业论文 21 u(n) hu (n) u(n-) + n2(n) + + x2(n)e(n) n1(n) x1(n) w(n) y(n) + - 图 3.3 lms 自适应时延估计原理图 从图 3.3 中可以看出，源信号 u(n)经过相移滤波器 hu (n)后，变成了 u(n-)，再与 加性噪声 n2(n)相加，构成输入信号 x2(n)。另一路是 u(n)与 n1(n)相加构成输入信号 x1(n)。 自适应滤波器的作用是在自适应迭代过程中，逐渐实现对相移滤波器 hu (n)的模拟，并 由输入信号 x1(n

57、)将其中的 u(n)加工成。当自适应滤波器收敛时，x2(n)与 y(n)的 ( )u n 均方误差达到最小，即 u(n-)与其估计的相似程度最大，则自适应滤波器的权 ( )u n 失量 wopt就成为相移滤波器 hu (n)的复制。由 wopt最大值的坐标，可以得到时延估值。 lms 时延估计所采用的算法如下： 2 ( )( )( )e nx ny n （3.1） 1 1 ( )( )() m m m y nwn x nm （3.2） 1 (1)( )( )() mm wnwne n x nm （3.3） m=(1,2,m) 根据最小均方误差(lms)准则，当适应滤波器收敛时，x2(n)与 y

58、(n)之间的均方误差 最小，即 u(n-)与其估计的达到最大程度的相似，并且自适应滤波器达到维纳 ( )u n 清华大学 2012 届毕业论文 22 权矢量而逼近相移滤波器 hu (n)。找到此时权矢量 wopt峰值对应的 m，就得到估计的延 时。本文中每一个 m 对应一个采样点，故估计的时延值为：采样间隔(m-1)。9,13 3.2.5 影响 lms 算法性能的因素 衡量 lms 算法性能优劣的主要指标包括：收敛速度，稳态失调，跃变跟踪能力， 鲁棒性，计算复杂度等。我们所要寻求的算法就是具有较快的收敛速度，较低的稳态 失调，较强的系统跃变跟踪能力以及较低地计算复杂度。然而它们之间有时是相互矛

59、 盾的，比如收敛速度与稳态失调之间是成反比的，且其它性能指标的改进通常是以增 加计算复杂度为代价的。因此，我们需要在它们之间需求一种均衡，最大限度地改善 系统的性能。在自适应滤波结构中，对滤波性能产生较大影响的因素主要包括：步长 因子，滤波阶数 l，权矢量初始值 w(0)，特征值分散度以及工作环境等等。 1. 步长因子 为了确保滤波器权值均值收敛以及 mse 收敛，lms 算法的步长因子必须满足一 定的条件。的选取对自适应滤波器的收敛速度以及稳态失调都会产生直接的影响，声 与学习曲线迭代时间mse成反比，越大，mse越小，自适应滤波器的收敛速度就越快， 相反越小，mse越大，自适应滤波器的收敛

60、速度就越慢。同时，与稳态失调成正比， 越大，稳态失调就越大，越小，稳态失调就越小。由此可见，由于收敛速度和稳态 失调对步长因子的要求相互矛盾，因此我们根据实际应用场合的需求，选择合适的步 长因子，力求使得自适应滤波器的收敛速度和稳态失调能够较好的折衷，达到系统的 要求。 2. 滤波阶数 l 滤波器阶数对 lms 自适应滤波器性能的影响主要表现在对输入信号自相关矩阵阶 数和特征值分布的影响以及计算复杂度的影响。对于相同的输入来说，滤波器阶数越 低，计算复杂度越低，自相关矩阵的最大特征值越小，自相关矩阵的迹就会变小，进 而步长因子的取值范围就会变大，滤波器的收敛速度会变快，稳态失调也会降低，同 时