CN107505598A - 一种基于三基阵的空中炸点定位方法 - Google Patents

一种基于三基阵的空中炸点定位方法 Download PDF

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许志勇
王威
赵兆
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
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Abstract

本发明公开了一种基于三基阵的空中炸点定位方法，首先在预定炸点下方布置3个相同的基阵组，每个基阵通过以太网连接远端安全区域的中心计算机构成三基阵网络定位系统；然后3个基阵分别采集空中炸点爆炸过程产生的声信号，基于采集到的声信号计算炸点的方位角和俯仰角信息，并将方位角和俯仰角信息传送到远端安全区域的中心计算机；最后中心计算机基于总体最小二乘的多基阵定位方法对各个基阵的中心位置坐标及其接收的方位角、俯仰角信息进行融合处理，得到空中炸点的位置坐标。本发明方法降低了麦克风阵列结构和测角之间的敏感度，缩短了处理时间，提高了定位精度。

Description

一种基于三基阵的空中炸点定位方法
技术领域
本发明涉及被动声学定位技术，具体是涉及一种基于三基阵的空中炸点定位方法。
背景技术
准确的定位空中炸点坐标对评估武器性能意义重大。国内多采用观察爆炸光的光学交绘法进行空中炸点定位，此方法依靠人工观察捕捉目标，劳动强度大，安全性差，并时有漏测、误测的现象，难以保证测量精度。国外多采用大视场电视经纬仪来定位空中炸点，虽然提高了工作效率和测试精度，但系统庞大、价格昂贵，而且由于该技术应用领域的特殊性，我国很难引进。
被动声定位是利用目标声源发出的声信号进行定位的，实现简单，成本较低。近年来随着被动声定位的快速发展，基于麦克风阵列的被动声定位技术已被越来越多的应用于对空中炸点的测量。现有的基于麦克风阵列的空中炸点定位法大致分为两种形式，基于单基阵(即单个孔径10m以上的分布式麦克风阵列)的定位方法和基于多基阵(即多个组网融合的小型麦克风阵列)的定位方法。基于单基阵的定位方法，通过计算声源到达各个麦克风的时间差(TDOA)来估算声源目标的三维位置坐标，但是基于单基阵的定位方法常常由于布阵的限制，估计精度较低、探测距离有限，特别是对于有风天气，定位误差敏感度非常高。基于多基阵的定位方法，以小型紧凑的单基阵为基础，通过融合每个单基阵所测的声源角度信息来获得声源的位置坐标，从而弥补了单基阵的某些缺陷，扩大了探测范围，提高了定位精度。常用的数据融合方法有几何平均、测向交叉、最大概率搜索等，步骤繁琐，计算量较大，没有考虑到基阵位置的误差以及所测声源的角度误差等。此外，无论是基于单基阵还是多基阵的定位方法，采用立体基阵时都未涉及到阵列结构对于声源测角的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三基阵的空中炸点定位方法，降低了麦克风阵列结构和测角之间的敏感度，缩短了处理时间，提高了定位精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于三基阵的空中炸点定位方法，包括如下步骤：
步骤1、在预定炸点下方布置3个相同的基阵组，每个基阵通过以太网连接远端安全区域的中心计算机构成三基阵网络定位系统；
步骤2、3个基阵分别采集空中炸点爆炸过程产生的声信号，基于采集到的声信号计算炸点的方位角和俯仰角信息，并将方位角和俯仰角信息传送到远端安全区域的中心计算机；
步骤3、中心计算机基于总体最小二乘的多基阵定位方法对各个基阵的中心位置坐标及其接收的方位角、俯仰角信息进行融合处理，得到空中炸点的位置坐标。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明的基阵功耗低，尺寸较小，便于布置、运输和存放；2)本发明的麦克风阵列采用√2:1的结构，降低了麦克风阵列结构和测角之间的敏感度；3)本发明采用基于总体最小二乘的数据融合方法，缩短了处理时间，提高了定位精度。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明的三基阵布局俯视图。
图3为本发明的基阵结构图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式详细进一步阐述本发明方案。
如图1所示，一种基于三基阵的空中炸点定位方法，包括如下步骤：
步骤1、在预定炸点下方布置3个相同的基阵组，每个基阵通过以太网连接远端安全区域的中心计算机构成三基阵网络定位系统。如图2和3所示，所述3个基阵在预定炸点下方的圆周上呈正三角形分布，圆周半径为10m-30m，每个基阵由四个麦克风组成的正三棱锥麦克风阵列构成，四个麦克风分别分布在正三棱锥的顶点，正三棱锥的高度与底面外接圆半径的比为1，正三棱锥的高度取0.14m-0.7m，底面外接圆半径取0.1m-0.5m。此外，为了防止底面干扰将基阵架设在高度为1-1.5m的支架上。
步骤2、3个基阵分别采集空中炸点爆炸过程产生的声信号，基于采集到的声信号计算炸点的方位角和俯仰角信息，并将方位角和俯仰角信息传送到远端安全区域的中心计算机，具体的：各基阵根据声信号到达四个麦克风的时间差和麦克风的位置计算炸点的方位角和俯仰角：
步骤2.1、确定基阵四个麦克风在本地坐标系中的三维空间坐标矢量：
r1＝[0，0，H]T
r2＝[L，0，0]T
其中，L为正三棱锥底面正三角的外接圆半径，H为正三棱锥的高度，r1表示1号麦克风的坐标，r2表示2号麦克风的坐标，r3表示3号麦克风的坐标，r4表示4号麦克风的坐标；
步骤2.2、通过互相关算法确定声源信号到基阵四个麦克风的时延向量：
其中，τ21表示2号麦克风和1号麦克风之间的时延，τ31表示3号麦克风和1号麦克风之间的时延，τ41表示4号麦克风和1号麦克风之间的时延，τ32表示3号麦克风和2号麦克风之间的时延，τ42表示4号麦克风和2号麦克风之间的时延，τ43表示4号麦克风和3号麦克风之间的时延；
步骤2.3、根据基阵的三维空间坐标矢量和时延向量计算基阵的声源方向矢量：
其中，为声源相对于基阵中心的方向矢量，和θ表示声源相对于基阵的俯仰角和方位角，c为声速，是和各个基阵麦克风的坐标相关的系数矩阵。
步骤3、中心计算机基于总体最小二乘的多基阵定位方法对各个基阵的中心位置坐标及其接收的方位角、俯仰角信息进行融合处理，得到空中炸点的位置坐标，表示为：
XTLS＝(AHA-σ4 2I)-1AHb
其中，表示声源的三维空间坐标，A是和声源相对于各个基阵中心的方位角和俯仰角有关的系数矩阵，b是和各个基阵的中心位置以及声源相对于各个基阵中心的方位角和俯仰角相关的向量，
A表示为：
b表示为：
式中，和θ1表示声源相对于第一个基阵的俯仰角和方位角，和θ2表示声源相对于第二个基阵的俯仰角和方位角，和θ3表示声源相对于第三个基阵的俯仰角和方位角。

Claims (7)

1.一种基于三基阵的空中炸点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在预定炸点下方布置3个相同的基阵组，每个基阵通过以太网连接远端安全区域的中心计算机构成三基阵网络定位系统；
步骤2、3个基阵分别采集空中炸点爆炸过程产生的声信号，基于采集到的声信号计算炸点的方位角和俯仰角信息，并将方位角和俯仰角信息传送到远端安全区域的中心计算机；
步骤3、中心计算机基于总体最小二乘的多基阵定位方法对各个基阵的中心位置坐标及其接收的方位角、俯仰角信息进行融合处理，得到空中炸点的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的基于三基阵的空中炸点定位方法，其特征在于，步骤1布置的基阵由四个麦克风组成的正三棱锥麦克风阵列构成，四个麦克风分别分布在正三棱锥的顶点，正三棱锥的高度与底面外接圆半径的比为
3.根据权利要求2所述的基于三基阵的空中炸点定位方法，其特征在于，所述正三棱锥的高度为0.14m-0.7m，底面外接圆半径为0.1m-0.5m。
4.根据权利要求1所述的基于三基阵的空中炸点定位方法，其特征在于，所述3个基阵在预定炸点下方的圆周上呈正三角形分布，圆周半径为10m-30m。
5.根据权利要求1所述的基于三基阵的空中炸点定位方法，其特征在于，所述3个基阵架设在高度为1-1.5m的支架上。
6.根据权利要求1所述的基于三基阵的空中炸点定位方法，其特征在于，步骤2各基阵根据声信号到达四个麦克风的时间差和麦克风的位置计算炸点的方位角和俯仰角，具体方法为：
步骤2.1、确定基阵四个麦克风在本地坐标系中的三维空间坐标矢量：
r1＝[0，0，H]T
r2＝[L，0，0]T
<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>L</mi> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>T</mi> </msup> </mrow>
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其中，L为正三棱锥底面正三角的外接圆半径，H为正三棱锥的高度，r1表示1号麦克风的坐标，r2表示2号麦克风的坐标，r3表示3号麦克风的坐标，r4表示4号麦克风的坐标；
步骤2.2、通过互相关算法确定声源信号到基阵四个麦克风的时延向量：
<mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>21</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>31</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>41</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>32</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>42</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>43</mn> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中，τ21表示2号麦克风和1号麦克风之间的时延，τ31表示3号麦克风和1号麦克风之间的时延，τ41表示4号麦克风和1号麦克风之间的时延，τ32表示3号麦克风和2号麦克风之间的时延，τ42表示4号麦克风和2号麦克风之间的时延，τ43表示4号麦克风和3号麦克风之间的时延；
步骤2.3、根据基阵的三维空间坐标矢量和时延向量计算基阵的声源方向矢量：
其中，为声源相对于基阵中心的方向矢量，和θ表示声源相对于基阵的俯仰角和方位角，c为声速，是和各个基阵麦克风的坐标相关的系数矩阵。
7.根据权利要求1所述的基于三基阵的空中炸点定位方法，其特征在于，步骤3根据各个基阵的中心位置坐标及其接收的方位角、俯仰角信息获取空中炸点的位置坐标，表示为：
XTLs＝(AHA-σ4 2I)-1AHb
其中，表示声源的三维空间坐标，A是和声源相对于各个基阵中心的方位角和俯仰角有关的系数矩阵，b是和各个基阵的中心位置以及声源相对于各个基阵中心的方位角和俯仰角相关的向量，
A表示为：
b表示为：
式中，和θ1表示声源相对于第一个基阵的俯仰角和方位角，和θ2表示声源相对于第二个基阵的俯仰角和方位角，和θ3表示声源相对于第三个基阵的俯仰角和方位角。
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