被动声定位与跟踪实验研究

被动声定位与跟踪实验研究

被动声采集技术在智能反装甲、反直升机雷坦系统和战场探测系统中发挥着重要作用。国外关于智能雷弹系统和战场侦察系统的研究中,广泛使用了被动声探测技术。本文作者研究了被动声定位与跟踪的可行性,设计了被动声定位实验系统,并进行了静目标定位和动目标定位与跟踪实验。证实了大气被动声定位和跟踪技术的可行性。1实验系统的设计1.1被动声定位和跟踪实验系统在目标声特性实验研究中,普遍采用了如图1所示方案。虚框Ⅰ是在野外进行的,虚框Ⅱ在实验室内完成。这套实验系统方案的缺点是:①实验设备较为笨重;②实验系统采用220V交流电,使被测信号易引入工频干扰;③测量放大器增益是固定的,为了适用于野外声场较宽的动态范围,放大倍数不能取太大,使得大部分条件下输入磁带机的信号较弱,易于受到干扰,而目标接近传声器时,又造成放大器输出饱和;④A/D采样是在实验室内将磁带回放后进行的,会造成磁带机各通道间随机时差(可达到1～6ms),这意味着无法用磁带机回放数据进行定位和跟踪实验。为方便在野外开展被动声定位和跟踪实验,作者采用了如图2所示的实验系统。该实验系统中传声器基阵、程控放大器、A/D采样模块均采用低功耗设计,使系统具有低功耗特点,可由普通电池供电;数据采集实时性强,数据可直接存入计算机硬盘中,便于及时处理。程控放大器的增益由PC机根据信号有效值实时控制,并记录相应采样点的增益值;另外,系统各模块独立设计,轻便、易于携带,可在实验现场组装。这一方案基本上克服了上述系统存在的问题。1.2ad526放大电路传声器基阵采用4个传声器布成十字阵,臂长设置为0.50m,0.75m,1.00m3级,实验中可灵活选择。程控放大器采用高精密运放ICL7650作为前级放大,放大倍数取15;采用程控放大器AD526作为第2级放大,实现增益调整。AD526有1,4,8,16共4种增益选择,在实验系统中采用1,4,16共3种,其控制信号由PC机经A/D卡给出。放大器可实现15,60,240倍3级增益选择。外置式的A/D卡与PC机通过并口传输数据,工作在EPP模式。A/D采样率最高达到20kHz,一般可采用5kHz或10kHz。A/D采样用软触发模式,采样定时由PC机主板的定时器实现。1.3信号有效值采样程序设计框图如图3所示。运行环境要求:PC主频需在120MHz以上;需在内存中开设4MB作虚拟盘,一次实验连续采样时间可达80s;PC机硬盘需有100MB以上的剩余空间,若一次实验为1min采样时间,可存储10余次的实验数据。有效值检测算法。采样过程中PC机实时计算信号有效值,根据有效值的范围确定程控放大器的增益,其原则是在A/D输入信号不超过-5～+5V的条件下选择较大增益,以充分利用A/D采样字长,保证采样数据的精度。有效值计算公式采用下式x(i)=((n-1)x(i-1)+|s(i)|)/n,(1)式中x(i)和x(i-1)是i和i-1时刻的有效值输出;s(i)为i时刻的采样值;n是决定积分时间常数的一个量,n越大,积分时间越长。n的可选区间由信号主要的低频成分和信号的有效值变化速度决定,前者决定n的下限,后者决定n的上限。直升机噪声低频域一般在20Hz左右,飞行速度一般在70m·s-1(252km·h-1)以下,仿真计算表明以5kHz采样时,n取250～600较为合适,本文选取n=300。有关仿真分析从略。2间延迟的分析该实验过程中通道间非声程差时延因素包括:①A/D卡的A/D采样器对多通道数据未采用同步采样保持,而是4个通道依次采样的,相邻通道间时间延迟取决于A/D采样器转换时间和软件指令的运行时间,在计算机主频为166MHz条件下,相邻通道采样时刻相差恒定为5.1μs;②各通道间传声器和程控放大器的动态特性有差异,造成不同的时间延迟,且这种延迟与信号频率有关;③有限长样本及有限字长效应也使计算过程中引入估计误差;实验表明本系统非声程差时延量一般在-30～30μs之间,考虑到传声器布阵的位置误差也在此数量级,故对此进行补偿意义不大。3静态目标定位实验3.1所输入的音源作为音源区的声源采用信号发生器和音箱构成实验用声源,以信号发生器产生频率为80Hz的正弦信号作为音箱的输入信号。对此声源进行谱分析,可以看到其包含多根线谱,这是由于音箱喇叭具有多个谐振频率造成的。声基阵臂长取1.00m。实验中分别改变声源与基阵间方位角、高低角及距离,重复多次实验。3.2声源方位角估计一致性检验以4096个采样点作为一个数据样本,分别估计通道间时延,进而估计声源方位R,θ,φ,R为目标距离,θ为目标的高低角,φ为方位角。表1是所得的估计值。表中,实验1与2对应目标处于同一位置,实验3与4对应目标处于同一位置,可见同一次实验中不同次样本间方位角(θ,φ)估计一致性很高,不同次实验对同一位置声源的方位角估计一致性也较好,而测距精度极差。多次实验结果表明时延估计适用于测向而不适用于测距。4汽车喇叭声实验研究以上静目标定位实验说明了采用时延估计测距的方法是不可行的。在先期研究工作中,给出了融合多普勒频移信息和测向信息跟踪运动目标的算法,该算法适用于目标声源具有恒定发射频率的线谱,同时相对于声基阵恒速运动的情形。下面通过实验进一步验证该算法的可行性并检验构成该算法的多个子模块的特性,包括线谱频率估计、时延估计、方位估计、频移和测向信息的融合算法等。汽车喇叭声具有若干线谱成分且声强远高于汽车本体噪声,在汽车达到一约定速度时,按住汽车喇叭即可构成一理想恒速运动声源。图4为实验布置示意图,1,2,3,4为传感器位置。声基阵所在平面基本上与公路在一个平面内,A点为汽车轨迹(公路)与基阵的最近点,S约为45m,A点θ=85°,φ=0°。实验中,当d1≈300m时汽车加速到80km·h-1(约22.2m·s-1),同时按响喇叭,在基阵处实验人员听到连续的喇叭声后启动计算机采样数据,当汽车开远至d2>200m时放开喇叭,计算机停止采样,完成一次实验。表2、表3是有关的实验结果,其中,表2是根据4个通道实验数据以4096点为一样本依次得到的目标方位值和频率估计值;表3是利用表2的测向信息和测频信息得到的运动参数估