CN106019266B - 枪声定距与弹丸测速方法 - Google Patents

Abstract

随着声测定位技术的发展，枪声定位系统的运用愈发成熟，在军用、警用领域都取得了不错的效果，运用场景也更加多变，在定点执勤、维稳、巡逻、运兵、战斗行动等都有应用，对提升侦查探测的准确性和提高战场士兵的安全性都有积极的作用。本发明提供一种能够精确测量声源点距离和弹丸速度的方法，通过建立阵列模型的数学方法，解决了现有方法中不能准确定距和测量弹丸速度的技术问题，能有效提升定位信息的准确性和丰富性。

Description

枪声定距与弹丸测速方法

技术领域

本发明涉及一种快速精确测量枪口距离和弹丸速度的声测方法，尤其涉及一种利用微型麦克风阵列和膛口波、弹丸激波确定枪声距离和弹丸速度的方法。

背景技术

随着声测定位技术的发展，枪声定位系统的运用愈发成熟，在军用、警用领域都取得了不错的效果，运用场景也更加多变，在定点执勤、维稳、巡逻、运兵、战斗行动等都有应用，对提升侦查探测的准确性和提高战场士兵的安全性都有积极的作用。

声测枪声定位系统是采用膛口波和弹丸激波进行定位的，膛口波为弹体内火药在枪膛中爆炸所形成的，弹丸激波是弹头在超音速飞行的状态下挤压空气所产生的飞行噪声，这两种声波携带有声源点和弹丸的相关信息，采用至少两个微型麦克风阵列分别测量两种声波通过阵列的时间，并求得其时间差，通过计算即可测定声源点的方向、距离和弹丸速度。

在枪声定位系统领域，国内外所应用的声测方法大体可分为两类，即空间立体探测和平面探测。空间立体探测采用空间分布的传感器阵列，以大尺寸阵列为主，利用膛口波到达时间差直接计算声源点的俯仰角和方位角，而后估算声源点位置；平面探测忽略声源点的俯仰角，以小尺寸平面阵列进行分析，多运用在单兵背负式系统，其利用同意阵列中传感器检测到的膛口波和弹丸激波到达时间差来估算方位角和距离。上述方法测向性能较好，但在定距和弹丸信息估算能力上存在明显不足，而阵列尺寸过大不易隐蔽也限制了枪声定位系统的发展。例如CN103852746所述方法中，位置估算结果本身就存在误差，而由于距离公式使用了位置估算的结果，这就进一步放大了误差的数量级，定距效果并不理想；CN102243041所述方法提出了一种弹道解算方法，但根据弹道追溯声源点在远距离条件下效果不佳，也无法做到对距离信息和弹丸速度的估计，定位效果并不理想，而这种数据的不准确性和缺失性大大增加了士兵的危险系数，在这种情况下需要辅助以激光探测系统或红外探测系统才能实现准确的定距和弹丸信息的估计，而这就增加了定位设备的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够精确测量声源点距离和弹丸速度的方法，解决了现有方法中不能准确定距和测量弹丸速度的技术问题，能有效提升定位信息的准确性和丰富性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术解决方案是：

一种枪声定距和弹丸测速方法，其特征在于：包括以下步骤：

1、布设并固定至少三个正棱锥麦克风阵列，任意选取两个正棱锥阵列的底面中点连线作为x轴建立三维直角坐标系，确定各阵列每一个麦克风传感器的坐标，测量两麦克风阵列中点间的距离D，将两个正棱锥阵列的底面中点的坐标P₁、P₂分别记为两个麦克风阵列的坐标，声源点坐标记为P。

2、记录膛口波和弹丸激波到达各麦克风传感器的时刻；对于每一个阵列而言，在其中任选一个麦克风传感器作为基准麦克风，而后计算该阵列中其他麦克风传感器与基准麦克风接收到膛口波的时间差，计算该阵列中其他麦克风传感器与基准麦克风接收到弹丸激波的时间差；计算一个麦克风阵列中所有麦克风传感器接收到膛口波的平均时刻t_1t和接收到弹丸激波的平均时刻t_1d，并将t_1t和t_1d作为该麦克风阵列膛口波和弹丸激波到达的时刻；计算另一个麦克风阵列中所有麦克风传感器接收到膛口波的平均时刻t_2t和接收到弹丸激波的平均时刻t_2d，并将t_2t和t_2d作为该麦克风阵列膛口波和弹丸激波到达的时刻。

3、测量海拔与温度，根据海拔、温度对声音在空气中传播的影响公式计算声速c。

4、建立求解模型，将通过麦克风阵列的膛口波与弹丸激波波峰面视为平面，求解通过麦克风阵列的膛口波与弹丸激波波峰面的单位方向向量。

4.1、选取独立麦克风阵列中任意一个麦克风传感器为基准麦克风，根据坐标关系分别计算出该阵列中剩余麦克风传感器指向基准麦克风的指向性向量，以每个向量作为矩阵的一行构成矩阵Q_i×3。

4.2、分别计算出该阵列中剩余麦克风传感器接收到声波(膛口波或弹丸激波)的时刻与基准麦克风接收到该声波的时刻之间差值，将每一个差值作为矩阵的一行构成矩阵T_i×1。

4.3、将所测声波的方向向量写为列矩阵K_3×1，并根据声达时间差和声达距离差之间的关系，三个矩阵之间有如下等式成立：

Q_i×3·K_3×1＝c·T_i×1

4.4、根据麦克风阵列的传感器分布关系，矩阵Q_i×3必然可逆，可计算出矩阵K_3×1的表达式：

K_3×1＝c·(Q_i×3)^-1·T_i×1

4.5、将矩阵K_3×1写为向量形式

然后将其进行单位化运算，即可求得声波通过该麦克风阵列的单位方向向量

4.6、将一个麦克风阵列的麦克风传感器坐标带入并计算如5.1所述的矩阵Q₁，分别根据阵列中各传感器接收到膛口波和弹丸激波的时间差组成矩阵T_1t和T_1d，根据5.4和5.5所述公式与方法，分别计算该麦克风阵列检测到膛口波的单位方向向量

和弹丸激波的单位方向向量

将一个麦克风阵列的麦克风传感器坐标带入并计算如5.1所述的矩阵Q₂，分别根据阵列中各传感器接收到膛口波和弹丸激波的时间差组成矩阵T_2t和T_2d，根据5.4和5.5所述公式与方法，计算该麦克风检测到膛口波的单位方向向量

和弹丸激波的单位方向向量

5、确定枪响时刻t和声源点距离S及声源点坐标P：

5.1、将枪响的时刻记为t，根据所建立坐标系中坐标和向量关系，将两麦克风阵列的坐标P₁、P₂与声源点坐标P之间的关系表示为：

5.2、两个麦克风阵列间的指向性向量即由一个阵列坐标点指向另一个阵列坐标点的向量为

其自身表达式以及与两麦克风阵列之间距离D的关系可表示为：

5.3、将5.1和5.2中坐标及向量关系总结为如下形式：

5.4、推导并计算枪响初始时刻t：

5.5在声速c已测量的情况下，根据枪响时刻即膛口波的发生时刻以及阵列检测到膛口波的时刻，计算声源点的距离S和声源点坐标P：

6、计算弹丸速度v:

6.1、规定弹道上与阵列坐标P₁、P₂对应的弹丸激波声源点的坐标分别为P_A、P_B，与阵列坐标P₁、P₂相对应的通过该阵列的马赫锥线分别为L₁、L₂，在P_A与L₂组成的平面内，过P_A向L₂做垂线段，垂足坐标为P₂₂，该点定义为阵列点P₂关于弹丸激波的镜像点，在P_B与L₁组成的平面内，过P_B向L₁做垂线段，垂足坐标为P₁₁，该点定义为阵列点P₁关于弹丸激波的镜像点。

根据镜像点的定义方式，阵列点P₁的镜像点P₁₁在马赫锥的同一条马赫线上，弹丸激波到达这两点的时间同为t_1d，阵列点P₂的镜像点P₂₂也同样在马赫锥的同一条马赫线上，弹丸激波到达这两点的时间同为t_2d。

6.2、根据所建立的坐标系的坐标及向量及位置关系，麦克风阵列坐标、弹丸激波声源点坐标和麦克风阵列关于弹丸激波的镜像点坐标以及弹头到达弹丸激波声源点的时刻t_A、t_B有如下关系：

6.3、根据位置关系，一个麦克风阵列与该麦克风阵列关于弹丸激波的镜像点间连线所构成的向量

与通过该麦克风阵列的弹丸激波方向向量

垂直，基此：

6.4、根据坐标和向量关系可将上式简化为：

6.5、求得弹头到达弹丸激波声源点的时间t_A、t_B：

根据坐标关系求得两麦克风阵列所测得的弹丸激波的声源点坐标P_A、P_B，再根据第6部分所求的枪响时刻t₀，计算弹丸的速度v：

本发明的益处在于，能够测定立体空间射击距离及弹速，没有省略角度而产生的误差；建立多个阵列减小误差和错误数据，提高设备安全性。阵列体积小，能够减小设备体积。

附图说明

图1为双麦克风阵列布设示意图。

图2为膛口波与弹丸激波传播方向示意图。

图3为阵列点、激波声源点、阵列镜像点位置关系示意图。

图4为三麦克风阵列布设示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明提出的枪声定距和弹头速度检测方法进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，布设两个正三棱锥麦克风阵列，阵列A由A0，A₁，A₂，A₃四个麦克风传感器组成，阵列B由B₀，B₁，B₂，B₃四个麦克风传感器组成，两阵列臂长均为d，两阵列间的距离为D，以两阵列中点连线作为x轴建立直角坐标系，并标定各麦克风传感器的坐标和阵列A与B的坐标P₁与P₂。

计算膛口波和弹丸激波到达阵列A和B的时间：膛口波到达阵列A的时间t_1t定义为膛口波到达阵列A四个麦克风传感器的平均时刻，弹丸激波到达阵列A的时间t_1d定义为弹丸激波到达阵列A四个麦克风传感器的平均时刻；膛口波到达阵列B的时间t_2t定义为膛口波到达阵列B四个麦克风传感器的平均时刻，弹丸激波到达阵列B的时间t_2d定义为弹丸激波到达阵列B四个麦克风传感器的平均时刻。

测量海拔与温度，根据海拔、温度对声音在空气中传播的影响公式计算声速c。

1、计算通过麦克风阵列A和B的膛口波峰面与弹丸激波峰面的单位方向向量：

1.1、对于麦克风阵列A，选A₀作为基准麦克风，膛口波到达基准麦克风A₀的时刻与到达A₁，A₂，A₃三个麦克风的时间差分别为τ_A1、τ_A2、τ_A3，三个声达时间差组成列矩阵T₁；根据向量关系，A₁，A₂，A₃指向A₀的向量分别记为

以每个向量作为矩阵一行构成矩阵Q₁；假设通过阵列A的膛口波峰面方向向量为

将其写为列矩阵形式N₁，上述三个矩阵可表示为：

根据坐标和向量关系有：

Q₁·N₁＝cT₁

上式写为向量形式的方程组可表达为：

根据标定的各麦克风传感器的坐标，上述方程组描述为矩阵相乘的形式：

上式即对应Q₁·N₁＝cT₁的表达式，由于阵列的臂长d不为零，式中矩阵Q₁必然可逆，可将矩阵N₁写为：

将矩阵N₁写为向量形式即是将其进行单位化即为通过阵列A的膛口波峰面的单位方向向量

根据上述计算方法，将矩阵T₁替换为阵列A测得弹丸激波的时间差所构成的列矩阵T₂，即可求得通过阵列A的弹丸激波峰面的方向向量

阵列A与阵列B的布设方式相同，采用上述计算方法其矩阵Q₁相同，故将矩阵T₁替换为阵列B测得膛口波的时间差所构成的列矩阵T₃，即可求得通过阵列B的弹丸激波峰面的方向向量

将矩阵T₁替换为阵列B测得弹丸激波的时间差所构成的列矩阵T₄，即可求得通过阵列B的弹丸激波峰面的方向向量

如图(2)所示，P为声源点，

分别为阵列A、B检测到的膛口波方向向量

的单位方向向量，

分别为阵列A、B检测到的弹丸激波方向向量

的单位方向向量，其中A₁，B₁为弹丸激波声源点，另根据图和计算膛口波和弹丸激波到达阵列A和B的时间，可将阵列A和B的已知信息汇总：

阵列A：坐标P₁，膛口波接收时刻t_1t、单位方向向量弹丸激波接收时刻t_1d、单位方向向量

阵列B：坐标P₂，膛口波接收时刻t_2t、单位方向向量

弹丸激波接收时刻t_2d、单位方向向量

2、确定枪响时刻t和声源点距离S与声源点坐标P：

2.1、根据坐标和向量关系，将两麦克风阵列的坐标表示为：

2.2、计算两个麦克风阵列间的向量

并将两麦克风阵列间向量

和距离D的关系表示为：

2.3、将2.1和2.2所述坐标及向量关系总结为如下形式：

2.4、计算枪响初始时刻t：

2.5、根据枪响时刻和阵列检测到膛口波的时刻计算声源点的距离S并计算声源点坐标P：

3、确定弹丸速度v:

3.1、如图(3)所示，弹头沿直线L₁飞行，弹丸激波随弹头飞行传播形成马赫锥，对于检测阵列A、B，其分别位于马赫锥的横切面圆O₁与圆O₂上，通过两点的马赫锥线分别为L_A与L_B，A₁、B₁弹丸激波声源点，根据弹丸激波和马赫锥的特性有AA₁垂直于L_A，BB₁垂直于L_B，直线AA₁单位方向向量即为通过阵列A的弹丸激波单位向量

直线BB₁单位方向向量即为通过阵列B的弹丸激波单位向量

另在A₁与L_B所在的平面中做直线A₁B₂垂直于L_B，垂足为B₂，在B₁与L_A所在的平面中做直线B₁A₂垂直于L_A，垂足为A₂，将A₂、B₂称为阵列A、B关于弹丸激波的镜像点，其坐标分别记为P₁₁、P₂₂，基于所作垂线的位置关系有A₁B₂与B₁B平行，且单位方向向量同为

B₁A₂与A₁A平行，且单位方向向量同为

将弹丸激波声源点A₁、B₁和镜像点A₂、B₂相关已知信息汇总：

A₁：坐标P_A，弹丸激波产生即弹丸到达时刻t_A；

B₁：坐标P_B，弹丸激波产生即弹丸到达时刻t_B；

A₂：坐标P₁₁，弹丸激波接收时刻t_1d、单位方向向量

B₂：坐标P₂₂，弹丸激波接收时刻t_2d、单位方向向量

3.2、根据向量及坐标关系，麦克风阵列坐标、弹丸激波声源点坐标和麦克风阵列关于弹丸激波的镜像声源点坐标以及弹头到达弹丸激波声源点的时刻t_A、t_B有如下关系：

3.3、根据位置关系，一个麦克风阵列与另一个麦克风阵列关于弹丸激波的镜像声源点间连线的向量与通过该麦克风阵列的弹丸激波方向向量垂直，基此：

3.4、根据3.2中坐标和向量关系可将上式简化为：

记：

3.5、求得弹头到达弹丸激波声源点的时间t_A、t_B：

3.6、根据3.2中坐标关系求得两麦克风阵列所测得的弹丸激波的声源点坐标P_A、P_B，再根据2.4所求的枪响时刻t，计算弹丸的速度v：

实施例2

下面结合上述方法，再介绍一种使用三个麦克风阵列进行定距和弹丸速度估计的实施例，该实施例通过增加麦克风阵列数量和改变阵列布设模型对定距和弹丸信息估计的结果进行了优化。

如图四所示，布设三个正三棱锥麦克风阵列A、B、C，以A、B做为主模型，C做为辅助阵列，A、C为辅助模型，建立空间直角坐标系。

在定距过程中，仍然以A、B为主模型进行定距操作，计算方法与前述实施例相同。考虑定距过程中的特殊声源点的情况，即当主模型中A、B两阵列所检测到的膛口波方向向量的差向量与两阵列间连线垂直时，将导致6.4中估算枪响时刻的公式其分母为零，以致出现定距数据异常，在此情况下，选取A、C辅助模型进行定距，计算方法与前述实施例相同，基此能够有效避开特殊声源点，提高定距的精准度。

在弹丸速度估计中，以A、B为主模型进行定距操作，计算方法与前述实施例相同。考虑到弹丸速度估计中特殊弹道轨迹的情况，即弹道轨迹直线与阵列A、B连线共面，这时两阵列所检测到的弹丸激波单位方向向量相同，将导致[0042]中估算弹丸飞行时刻的公式其分母为0，出现弹丸速度估计数据异常，在此情况下，选取A、C辅助模型进行定距，计算方法与前述实施例相同，基此能够有效避开特殊弹道轨迹直线，提高弹丸速度估计的精准度。

以上为本发明的一个较佳事实方案，凡熟悉此项技术者，在了解本发明的技术手段后，皆能够根据实际运用需要进行调整变化，例如增加麦克风阵列数列、调整阵列布设模型，调整麦克风阵列中传感器布设结构等，凡依据本发明申请专利范围内所做的同等变化与修饰，皆应属本发明专利所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种枪声定距与弹丸测速方法，该方法包括：

S1：布设并固定至少三个正棱锥麦克风阵列，选取其中两阵列作为主模型阵列，其余阵列备用，建立坐标系；

S2：记录膛口波和弹丸激波到达各麦克风传感器的时刻；

S3：测量海拔与温度，根据海拔、温度对声音在空气中传播的影响公式计算声速；

S4：建立求解模型，将通过麦克风阵列的膛口波与弹丸激波波峰面视为平面，求解通过麦克风阵列的膛口波与弹丸激波波峰面的单位方向向量；

S5：确定枪响时刻和声源点距离及声源点坐标；

S6：计算弹丸速度；

其中，步骤S1中，当出现特殊声源点的情况，即当主模型中所选取两阵列所检测到的膛口波方向向量的差向量与两阵列间连线垂直时，改变其中一个主模型阵列，选取一个备用阵列建立坐标系；

步骤S4主要步骤为：

S4.1、选取独立麦克风阵列中任意一个麦克风传感器为基准麦克风，根据坐标关系分别计算出该阵列中剩余麦克风传感器指向基准麦克风的指向性向量，以每个向量作为矩阵的一行构成矩阵Q_i×3；

S4.2、分别计算出该阵列中剩余麦克风传感器接收到声波的时刻与基准麦克风接收到该声波的时刻之间差值，将每一个差值作为矩阵的一行构成矩阵T_i×1；

S4.3、将所测声波的方向向量写为列矩阵K_3×1，并根据声达时间差、声达距离差和上述矩阵间的关系，有如下等式成立：

Q_i×3·K_3×1＝c·T_i×1；

S4.4、根据麦克风阵列的传感器分布关系，矩阵Q_i×3必然可逆，可计算出矩阵K_3×1的表达式：

K_3×1＝c·(Q_i×3)^-1·T_i×1；

其中c为声速；

S4.5、将矩阵K_3×1写为向量形式

然后将其进行单位化运算，即可求得声波通过该麦克风阵列的单位方向向量

2.根据权利要求1所述的一种枪声定距与弹丸测速方法，其特征在于：步骤S5主要步骤为：

S5.1、将枪响的时刻记为t，根据所建立坐标系中坐标和向量关系，将两麦克风阵列的坐标P₁、P₂与声源点坐标P之间的关系表示为：

S5.2、两个麦克风阵列间的指向性向量即由一个阵列坐标点指向另一个阵列坐标点的向量为

其自身表达式以及与两麦克风阵列之间距离D的关系可表示为：

其中

为一个麦克风阵列检测到膛口波的单位方向向量，t_1t为膛口波到达该麦克风阵列的时间，

为另一个麦克风阵列检测到膛口波的单位方向向量，t_2t为膛口波到达另一个麦克风阵列的时间；

S5.3、将S5.1和S5.2中坐标及向量关系总结为如下形式：

S5.4、推导并计算枪响初始时刻t：

S5.5在声速c已测量的情况下，根据枪响时刻即膛口波的发生时刻以及阵列检测到膛口波的时刻，计算声源点的距离S和声源点坐标P：

。

3.根据权利要求1所述的一种枪声定距与弹丸测速方法，其特征在于：步骤S6主要步骤为：

S6.1、规定弹道上与阵列坐标P₁、P₂对应的弹丸激波声源点的坐标分别为P_A、P_B，与阵列坐标P₁、P₂相对应的通过该阵列的马赫锥线分别为L₁、L₂，在P_A与L₂组成的平面内，过P_A向L₂做垂线段，垂足坐标为P₂₂，该点定义为阵列点P₂关于弹丸激波的镜像点，在P_B与L₁组成的平面内，过P_B向L₁做垂线段，垂足坐标为P₁₁，该点定义为阵列点P₁关于弹丸激波的镜像点；

根据镜像点的定义方式，阵列点P₁的镜像点P₁₁在马赫锥的同一条马赫线上，弹丸激波到达这两点的时间同为t_d1，阵列点P₂的镜像点P₂₂也同样在马赫锥的同一条马赫线上，弹丸激波到达这两点的时间同为t_d2；

S6.2、根据所建立的坐标系的坐标及向量及位置关系，麦克风阵列坐标、弹丸激波声源点坐标和麦克风阵列关于弹丸激波的镜像点坐标以及弹头到达弹丸激波声源点的时刻t_A、t_B有如下关系：

其中

为一个麦克风阵列检测到弹丸激波的单位方向向量，

为另一个麦克风阵列检测到弹丸激波的单位方向向量；

S6.3、根据位置关系，一个麦克风阵列与该麦克风阵列关于弹丸激波的镜像点间连线所构成的向量

与通过该麦克风阵列的弹丸激波方向向量

垂直，基于此：

S6.4、根据坐标和向量关系可将上式简化为：

S6.5、求得弹头到达弹丸激波声源点的时间t_A、t_B：

根据坐标关系求得两麦克风阵列所测得的弹丸激波的声源点坐标P_A、P_B，再根据求得的枪响时刻t，计算弹丸的速度v：其中P为声源点坐标

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