CN103869287A - 枪声定位定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种枪声定位定向方法，包括：对采集到的枪声信号的类型进行判定，若枪声信号为激波信号，则对激波信号进行检测，判断激波是否包含有膛口波，若判断结果为则是，分别对激波信号与腔口波信号进行计算，以得出激波信号的方位角与膛口波信号的方位角，根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角得出枪源位置至声音采集装置之间的距离，并发送警告信息；若枪声信号为膛口波信号，则计算出枪源的方位和俯仰角后，发送警告信息。本发明通过对所采集到的枪声进行处理，以得到枪源位置的相关参数、以及枪源位置至采集装置之间的距离，随时判定敌方声源位置，并做出准确判断与应对方案，从而大幅度提高士兵的安全系数。

Description

枪声定位定向方法

技术领域

本发明涉及一种声源定位方法，尤其是一种枪声定位定向方法。

背景技术

在现代战争中，狙击手以其诡秘的行踪和高效的杀伤效率威胁着士兵的生命，目前军方或警方只有适用于大型的车载声源探测装置的系统方法，没有适用于小型便于携带的声源探测装置的系统方法，士兵在单兵作战时，无法随身携带，就不能随时准确的判定敌方声音位置，无法做出准确的应对方案，大大增加了士兵的危险系数。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种能够获取枪源位置的相关参数、以及枪源位置至采集装置之间距离的枪声定位定向方法。

为实现上述目的，本发明提供一种枪声定位定向方法，包括以下步骤：

S1、对采集到的枪声信号的类型进行判定，若枪声信号为激波信号，则执行步骤S3，若枪声信号为膛口波信号，则执行步骤S2；

S2、计算出枪源的方位和俯仰角后，跳转执行步骤S6；

S3、对激波信号进行检测，判断激波是否包含有膛口波，若判断结果为则是，则执行步骤S4，若判断结果为否，则跳转执行步骤S6；

S4、分别对激波信号与腔口波信号进行计算，以得出激波信号的方位角与膛口波信号的方位角；

S5、根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角得出枪源位置至声音采集装置之间的距离；

S6、发送警告信息。

上述的枪声定位定向方法，其中，上述定位方法具体包括以下步骤：

S10、设备初始化；

S20、对采集到的声音信号的信噪比进行判定，若该声音信号的信噪比大于预设的枪声信噪比，则判定结果为枪声，则执行步骤S30；

S30、由声音信号中截取出信噪比大于预设的枪声信噪比的枪声信号片段；

S40、对枪声信号片段进行FFT变换后，将结果中对应的低频均值（L）与高频均值（H）进行比较，若低频均值（L）大于高频均值（H），表明枪声信号片段的类型为膛口波信号，则执行步骤S50，若低频均值（L）小于高频均值（H），表明枪声信号片段的类型为激波信号，则执行步骤S60；

S50、确定枪声信号片段的类型为膛口波信号后，表明子弹是冲着枪声定位模块相反方向飞行的，计算出枪源方位和俯仰角后，跳转执行步骤S90；

S60、对激波信号进行检测，判断激波信号是否还包含有膛口波信号，若判断结果为则是，则执行步骤S70，若判断结果为否，则跳转执行步骤S90；

S70、分别对激波信号与腔口波信号进行计算，以得出激波方位角与膛口波的方位角；

S80、根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角得出枪源位置至声音采集装置之间的距离；

S90、将获得的枪源方位和俯仰角、以及枪源位置至声音采集装置之间的距离生成报警信息，并通过信号传输装置进行发送。

上述的枪声定位定向方法，其中，所述步骤S70中包括以下步骤：

S701、将声源采集装置中的四个麦克风采集到激波信号数据与腔口波信号数据进行互相关函数运算，以分别得到第一麦克风与其他三个麦克风的时间差；

S702、根据四元时延定位算法求得方位角和俯仰角，分别得出激波信号的方位角与膛口波信号的方位角。

上述的枪声定位定向方法，其中，所述步骤S80包括以下步骤：

S801、根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角以得到两个方位角所形成的夹角；

S802、采用三角公式对上述夹角进行计算，以得出枪源位置至声音采集装置之间的距离。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过对所采集到的枪声进行处理，以得到枪源位置的相关参数、以及枪源位置至采集装置之间的距离，随时判定敌方声源位置，并做出准确判断与应对方案，从而大幅度提高士兵的安全系数，特别适应用于军用或警用对敌方枪声火力声音位置的探测。

附图说明

图1为本发明中方法部分的流程图；

图2为十字形声传感器阵列图；

图3为子弹激波信号和膛口波信号传播模型；

图4为本发明中装置部分的结构框图。

主要元件符号说明如下：

1-初始化模块            2-信噪比判断模块

3-片段截取模块          4-片段类型判断模块

5-计算模块a             6-激波信号检测模块

7-计算模块b             8-枪源位置计算模块

9-报警信息发送模块

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明提供一种枪声定位定向方法，具体包括以下步骤：

S10、设备初始化。

S20、对采集到的声音信号的信噪比进行判定，若该声音信号的信噪比大于预设的枪声信噪比，则判定结果为枪声，执行步骤S30，若该声音信号的信噪比小于预设的枪声信噪比，则判定结果为不是枪声，返回执行步骤S10。

具体的，通过检测声音信号的信噪比，设定一个枪声信噪比门限值，当信号信噪比大于枪声预设的信噪比时，则判定结果为枪声。

S30、由声音信号中截取出信噪比大于预设的枪声信噪比的枪声信号片段。其中，将枪声信号片段由声音信号中截取出来，可便于以对其进行后续的计算。

S40、对枪声信号片段进行FFT变换后，将结果中对应的低频均值L与高频均值H进行比较，若低频均值L大于高频均值H，表明枪声信号片段的类型为膛口波信号，则执行步骤S50，若低频均值L小于高频均值H，表明枪声信号片段的类型为激波信号，则执行步骤S60。

其中，膛口波信号的能量主要集中在300Hz-1000Hz的低频部分，激波信号的能量主要集中在2kHz-7kHz频率范围内。

S50、确定枪声信号片段的类型为膛口波信号后，表明子弹是冲着枪声定位模块相反方向飞行的，计算出枪源方位和俯仰角后，跳转执行步骤S90。

S60、对激波信号进行检测，判断激波信号是否还包含有膛口波信号，若判断结果为则是，则执行步骤S70，若判断结果为否，则跳转执行步骤S90。

具体的，经步骤S40检测后，已经确定枪声信号片段的类型为激波信号，说明子弹是冲着枪声检测模块方向飞的，因为子弹速度大于声速，所以激波比膛口波先到达枪声检测模块，需要继续检测膛口波信号。

S70、分别对激波信号与腔口波信号进行计算，以得出激波方位角与膛口波的方位角。

具体的，在步骤S70中包括以下步骤：

S701、将声源采集装置中的四个麦克风采集到激波信号数据与腔口波信号数据进行互相关函数运算，以分别得到第一麦克风与其他三个麦克风的时间差；

S702、根据四元时延定位算法求得方位角和俯仰角，分别得出激波信号的方位角与膛口波信号的方位角，其具体步骤如下：

S7021、建立十字形声传感器阵列，如图2所示，由直角坐标系和球坐标系中得出四阵元的直角坐标分别为：S1(D/2，0，0)，S3(-D/2，0，0)，S2(0，D/2，0)，S4(0，-D/2，0)，与目标声源T的直角坐标为(x，y，z)，以及球坐标为

即，目标声源T到坐标原点的距离为r，方位角为

俯仰角为θ，其中，十字形声传感器阵列由两个相互正交的线阵S1、S3和S2、S4组成，线阵的阵元间距为D，以两线阵的交点为坐标原点；

S7022、当目标声源T离阵中心的距离比阵元间距大时，假设目标T为点声源，并以球面波形式进行传播，其中，设声源到达阵元S1的传播时间为t1，到达阵元S2，S3，S4与相对于到达阵元S1的时间延迟分别为τ₁₂，τ₁₃，τ₁₄，则利用下式计算声源传播到S2、S3、S4与传播到S1的声程差d₁₂，d₁₃，d₁₄：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{12}={\mathrm{\τ}}_{12}\·c\\ d_{13}={\mathrm{\τ}}_{13}\·c\\ d_{14}={\mathrm{\τ}}_{14}\·c\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，C为空气速度，C=340m/s；

S7023、设目标声源T与阵元S1的距离为r1，则得到下式：

r₁=ct₁         （2）

S7024、目标声源T以球面波进行传播，所以阵元S1、S2、S3、S4分别位于以T为球心以r1、r1+d₁₂、r1+d₁₃、r1+d₁₄为半径的四个球面上，因而可联立列出方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+z^2=r^2<1>\\ {(x-D/2)}^2+y^2+z^2={r_1}^2<2>\\ x^2+{(y-D/2)}^2+z^2={(r_1+d_{12})}^2<3>\\ {(x+D/2)}^2+y^2+z^2={(r_1+d_{13})}^2<4>\\ x^2+{(y+D/2)}^2+z^2={(r_1+d_{14})}^2<5>\end{array}\right.---\left(3\right)$

测量时延τ₁₂、τ₁₃、τ₁₄，即可知程差d₁₂、d₁₃、d₁₄，再通过解上述方程组，以得出目标的位置坐标（x，y，z）。

S7025、下面推导目标的球坐标与时延τ₁₂、τ₁₃和τ₁₄的关系，将〈3〉、〈4〉、〈5〉式分别与〈2〉式相减，得：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=\frac{{d_{12}}^2+{d_{14}}^2-{d_{13}}^2}{2(d_{13}-d_{12}-d_{14})}\\ x=\frac{2d_{13}{r}_1+{d_{13}}^2}{2D}\\ y=\frac{2(d_{14}-d_{12})r_1+({d_{14}}^2-{d_{12}}^2)}{2D}\end{array}\right.---\left(4\right)$

S7026、直角坐标系下目标声源T的位置坐标(x，y，z)与球坐标系下的位置坐标的关系式为：

式中，0°≤θ≤90°，

S7027、对步骤S7026中的公式求解，得出由直角坐标（x，y，z）表示的方位角

俯仰角θ，

由于r₁>>d_1i，i=2，3，4，所以，上式可以简化为：

S7028、由〈2〉式减去〈1〉式，得：

$r^2={r_1}^2+\mathrm{Dx}-\frac{D^2}{4}={r_1}^2+d_{13}{r}_1+\frac{{d_{13}}^2}{2}-\frac{D^2}{4}---\left(9\right)$

$\sin \mathrm{\&theta;}=\sqrt{\frac{x^2+y^2}{r^2}}=\frac{1}{2D}\sqrt{\frac{{(2d_{13}{r}_1+{d_{13}}^2)}^2+{(2(d_{14}-d_{12})r_1+{d_{14}}^2-{d_{12}}^2)}^2}{{r_1}^2+d_{13}{r}_1+\frac{{d_{13}}^2}{2}-\frac{D^2}{4}}}---\left(10\right)$

$=\frac{1}{D}\sqrt{{(d_{12}-d_{14})}^2+{d_{13}}^2}*\sqrt{1+\frac{4{(d_{12}-d_{14})}^2(d_{12}+d_{14}-d_{13})r_1+O(d_{1i},D)}{{r_1}^2+d_{13}{r}_1+\frac{{d_{13}}^2}{2}-\frac{D^2}{4}}}---\left(11\right)$

式中，O(d_1i,D)=d₁₃ ²+(d₁₂ ²-d₁₄ ²)²+(D²-2d₁₃ ²)(d₁₃ ²+(d₁₂-d₁₄)²)，   （12）

由于r₁>>d_1i，釆用的是小尺寸的声学阵列，因此，上式可以简化为：

$\sin \mathrm{\&theta;}\&ap;\frac{1}{D}\sqrt{{(d_{12}-d_{14})}^2+{d_{13}}^2}=\frac{C}{D}\sqrt{{({\mathrm{\&tau;}}_{12}-{\mathrm{\&tau;}}_{14})}^2+{{\mathrm{\&tau;}}_{13}}^2}---\left(13\right)$

通过估计时延τ₁₂、τ₁₃和τ₁₄，即可确定目标声源的方位角和俯仰角θ。

S80、根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角得出枪源位置至声音采集装置之间的距离。

具体的，在步骤S80中包括以下步骤：

S801、根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角以得到两个方位角所形成的夹角；

S802、采用三角公式对上述夹角进行计算，以得出枪源位置至声音采集装置之间的距离，其具体步骤如下：

S8021、基于激波信号和膛口波信号波达方向以及两者之间时间差，建立子弹激波信号和膛口波信号传播模型，如图3所示，并根据传声器阵接收到的膛口波直接来自射击者位置，膛口波抵达时间：

${\mathrm{TOA}}_{\mathrm{muzzle}}=\frac{r}{c};---\left(15\right)$

S8022、接收到的激波是在子弹飞行x距离后，从P点以声速传播来的，并且先于膛口波抵达，激波抵达所需时间为子弹飞行x米，再以声速从P到S的时间之和：

${\mathrm{TOA}}_{\mathrm{shock}}=\frac{x}{v}+\frac{b}{c\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)};---\left(16\right)$

S8023、b是观察点到弹轨的垂直距离，即脱靶量，θ为锥面开角，即马赫角，v是子弹速度，x是射击点到P点的距离，激波与膛口波抵达观测点的时间差ΔTOA为：

$\mathrm{\&Delta;TOA}={\mathrm{TOA}}_{\mathrm{muzzle}}-{\mathrm{TOA}}_{\mathrm{shock}}=\frac{r}{c}-\frac{x}{v}-\frac{b}{c\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)};---\left(17\right)$

S8024、延长SP并由枪口W做SP的垂线，交与E点，ΔAOA是激波与膛口波波达方向的夹角，由几何知识可以得到：

$x=\frac{r\&CenterDot;\sin \left(\mathrm{\&Delta;AOA}\right)}{\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)},---\left(18\right)$

b＝r·sin(90°-θ-ΔAOA)＝r·(cos(θ)·cos(ΔAOA)-sin(θ)·sin(ΔAOA))；   （19）

S8025、将马赫数M、马赫角θ、式（18）、式（19）带入式（17）中最后可以得到观测点到枪口的距离为：

$r=\frac{c\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;TOA}}{1-\cos \left(\mathrm{\&Delta;AOA}\right)},---\left(20\right)$

其中，ΔAOA是激波信号与膛口波信号方向向量的夹角，可以由传声器阵测出激波信号与膛口波信号波达方向后，计算得出，ΔTOA为两种波抵达时刻的时间差，也可以由传声器接收的数据估计得出，所以只要知道膛口波信号与激波信号波达方向以及两者抵达的时间差，就可以求出射击者到观测点的距离。

当α增大到一定程度时，膛口波和激波会同时抵达麦克风阵，这时两种脉冲声波混叠在一起，无法估计出时间差值。当α大于这一临界值时，麦克风阵就只能接收到膛口波。由此，接收到的声波信息与能解算出声源信息的对应关系见表1.1。

表1.1探测波形与解算信息对照表

S90、将获得的枪源方位和俯仰角、以及枪源位置至声音采集装置之间的距离生成报警信息，并通过信号传输装置进行发送。其中，信号传输装置为耳机和蓝牙。

本发明还提供一种枪声定位的装置，包括：

初始化模块1，用于对设备进行初始化。

主要是对fpga运算模块与相关数据进行初始化设置。

信噪比判断模块2，用于对采集到的声音信号的信噪比进行判定，若该声音信号的信噪比大于预设的枪声信噪比，则判定结果为枪声，则对片段截取模块进行处理。

通过检测声音信号的信噪比，设定一个枪声信噪比门限值，当信号信噪比大于枪声预设的信噪比时，则判定结果为枪声。

片段截取模块3，用于由声音信号中截取出信噪比大于预设的枪声信噪比的枪声信号片段。

其中，将枪声信号片段由声音信号中截取出来，可便于以对其进行后续的计算。

片段类型判断模块4，用于对枪声信号片段进行FFT变换后，将结果中对应的低频均值L与高频均值H进行比较，若低频均值L大于高频均值H，表明枪声信号片段的类型为膛口波信号，则地计算模块a进行处理，若低频均值L小于高频均值H，表明枪声信号片段的类型为激波信号，则对激波信号检测模块进行处理。

其中，膛口波信号的能量主要集中在300Hz-1000Hz的低频部分，激波信号的能量主要集中在2kHz-7kHz频率范围内。

计算模块a5，用于在确定枪声信号片段的类型为膛口波信号后，表明子弹是冲着枪声定位模块相反方向飞行的，计算出枪源方位和俯仰角后，跳转对报警信息发送模块9进行处理。

激波信号检测模块6，用于对激波信号进行检测，并判断激波信号是否还包含有膛口波信号，若判断结果为则是，则对激波信号与腔口波信号进行计算模块进行处理，若判断结果为否，则跳转对报警信息发送模块9进行处理。

具体的，经片段类型判断模块4检测后，已经确定枪声信号片段的类型为激波信号，说明子弹是冲着枪声检测模块方向飞的，因为子弹速度大于声速，所以激波比膛口波先到达枪声检测模块，需要继续检测膛口波信号。

计算模块b7，用于分别对激波信号与腔口波信号进行计算，以得出激波方位角与膛口波的方位角。其中，计算模块b7还包括：

时间差获取单元，用于将声源采集装置中的四个麦克风采集到激波信号数据与腔口波信号数据进行互相关函数运算，以分别得到第一麦克风与其他三个麦克风的时间差；

方位角计算单元，用于根据四元时延定位算法求得方位角和俯仰角，分别得出激波信号的方位角与膛口波信号的方位角。

枪源位置计算模块8，用于根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角得出枪源位置至声音采集装置之间的距离。其中，枪源位置计算模块8还包括：

夹角获取单元，用于根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角以得到两个方位角所形成的夹角；

枪源位置计算单元，用于采用三角公式对上述夹角进行计算，以得出枪源位置至声音采集装置之间的距离。

报警信息发送模块9，用于将获得的枪源方位和俯仰角、以及枪源位置至声音采集装置之间的距离生成报警信息，并通过信号传输装置进行发送。

其中，信号传输装置为耳机和蓝牙。

惟以上者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士。在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，曾应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种枪声定位定向方法，包括以下步骤：

S10、设备初始化；

S20、对采集到的声音信号的信噪比进行判定，若该声音信号的信噪比大于预设的枪声信噪比，则判定结果为枪声，则执行步骤S30；

S30、由声音信号中截取出信噪比大于预设的枪声信噪比的枪声信号片段；

S40、对枪声信号片段进行FFT变换后，将结果中对应的低频均值（L）与高频均值（H）进行比较，若低频均值（L）大于高频均值（H），表明枪声信号片段的类型为膛口波信号，则执行步骤S50，若低频均值（L）小于高频均值（H），表明枪声信号片段的类型为激波信号，则执行步骤S60；

S50、确定枪声信号片段的类型为膛口波信号后，表明子弹是冲着枪声定位模块相反方向飞行的，计算出枪源方位和俯仰角后，跳转执行步骤S90；

S60、对激波信号进行检测，判断激波信号是否还包含有膛口波信号，若判断结果为则是，则执行步骤S70，若判断结果为否，则跳转执行步骤S90；

S70、分别对激波信号与腔口波信号进行计算，以得出激波方位角与膛口波的方位角；

S80、根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角得出枪源位置至声音采集装置之间的距离；

S90、将获得的枪源方位和俯仰角、以及枪源位置至声音采集装置之间的距离生成报警信息，并通过信号传输装置进行发送。

2.根据权利要求1所述的枪声定位定向方法，其特征在于，所述步骤S70中包括以下步骤：

S701、将声源采集装置中的四个麦克风采集到激波信号数据与腔口波信号数据进行互相关函数运算，以分别得到第一麦克风与其他三个麦克风的时间差；

S702、根据四元时延定位算法求得方位角和俯仰角，分别得出激波信号的方位角与膛口波信号的方位角。

3.根据权利要求1所述的枪声定位定向方法，其特征在于，所述步骤S80包括以下步骤：

S801、根据激波信号的方位角与膛口波信号的方位角以得到两个方位角所形成的夹角；

S802、采用三角公式对上述夹角进行计算，以得出枪源位置至声音采集装置之间的距离。

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