CN113587720A - 一种炸点高度的测量结构及其实现方法 - Google Patents

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雷鸣
魏效霞
雷志勇
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    • F41A31/00—Testing arrangements
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    • F42—AMMUNITION; BLASTING
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    • F42B35/00—Testing or checking of ammunition

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Abstract

本发明涉及被动声定位技术领域，具体涉及一种炸点高度的测量结构及其实现方法。本发明技术方案包括三个声传感器和一个红外探测器，三个声传感器设置于炸点高度下方的地面上，红外传感器用于测炸点爆炸时刻；所述的三个传感器的连线组成等腰直角三角形，且三个声传感器设置于同一平面。本发明为了测量空爆弹炸点的高度，采用非接触、弹外测量方式，并在爆炸点附近地面布置三个声传感器，组成三点阵进行被动声探测，能够根据不同声传感器所测量的声音时间差以及几何算法，进而可以精确的测量出炸点的高度。

Description

一种炸点高度的测量结构及其实现方法
技术领域
本发明涉及被动声定位技术领域，具体涉及一种炸点高度的测量结构及其实现方法。
背景技术
精确测量空爆弹爆炸时距地面的高度，是判断该武器是否合格的重要指标之一。同时，空爆弹的炸点高度，也会影响该武器对目标的毁伤程度。如果空爆弹爆炸时距地面的高度太高，则会对地面目标毁伤程度下降；反之，空爆弹爆炸时距地面的高度太低，则会对地面毁伤面积增大。所以只有在合适的高度发生爆炸时，才能达到对地面上的人及其它物体的毁伤程度。
目前，常见的声定位结构有四元阵和圆阵等，所采用的方法有波束成型法、高分辨率谱估计法及波达时间差(TDOA)法。存在的问题有：1四元阵的缺点是定向定距与方位角有关，且定位精度差；2、圆阵需要传感器的数量较多，所以运算复杂，且在后期的维护也很困难；3、由于波束成型法、高分辨率谱估计法计算量大，且不利于实时计算等缺点，而波达时间差(TDOA)法，在估计炸点到各传感器的时延会产生较大误差，所以导致测量精度不高。
因此，采用声定位测量的方法，进行对空爆弹爆炸时距地面高度的精确测量，有很重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决多元阵测量炸高的运算复杂及测量精度不高的问题，提供一种炸点高度的测量结构及其实现方法。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种炸点高度的测量结构，其特征在于：包括设置于炸点附近地面的三个声传感器A、B、C和一个红外探测器，红外传感器用于测量得炸点爆炸的初始时刻；
所述的三个传感器的连线组成等腰直角三角形，并且两直角边的长度为10-60米。
进一步，三个声传感器摆放于同一平面。
所述的测量结构测量炸点高度的方法步骤为：
1)测量爆炸点P点到各声传感器之间的距离；
首先用红外探测器测得炸点爆炸时刻作为试验的初始时刻t0；其次，声传感器A经过tCA秒接收到爆炸信号，其与爆炸点的距离为PA，C为声速；
tGA*C＝PA (2.2-1)
声传感器B经过tGB秒接收到炸点爆炸的信号，其与爆炸点的距离为PB，C为声速；
tGB*C＝PB (2.2-2)
声传感器C经过tGC秒接收到炸点爆炸信号,其与爆炸点的距离为PC，C为声速；
tGC*C＝PC (2.2-3)
2)计算炸点高度；
建立以声传感器B为坐标原点，BC和BA分别为X轴和Y轴的直角坐标系，假定PD垂直AB，PE垂直BC，
声传感器A(0,d1,0)，B(0,0,0)，C(d2,0,0)，假定点D、E分别到声传感器B(坐标原点)的距离为a、b，则点D(0,a,0)，E(b,0,0)；
最后通过不同声传感器所测量的声音时间差以及几何算法，进而可以精确的测量出炸点P的坐标为(a,b,z1)或(a,b,z2)，即z1或z2为炸点的高度。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明利用三个声传感器，和一个红外探测器测量炸点的高度，结构简单，体积较小，操作简单，成本较低；
2、本发明炸高测量模型的实现方法，通过红外探测器测量得出炸点爆炸的初始时刻，不用估计时延，因此可以提高测量精度；
3、本发明因为只采用了三个声传感器，所以运算量小，测量精度较高，易于实施处理。
4、本发明三个声传感器在同一平面，由于平面阵列可以在整个平面对声源进行定位，且所需算法并不算困难，同时后期维护也很方便。
5、本发明利用三点阵被动式探测是通过被动接收炸点的信号完成对炸点的定位。此方法具有隐蔽性好，安全性高，安装方便等优点。
附图说明：
图1是本发明的空爆弹在不同高度的起爆示意图；
图2是本发明的各传感器的平面摆放；
图3是本发明的红外传感器和声传感器之间的时间差；
图4是本发明的炸高测量布局图(数学模型)。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的进行描述。显然所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明为了测量空爆弹炸点的高度，采用非接触、弹外测量方式，并在爆炸点附近地面布置三个声传感器，组成三点阵进行被动声探测，能够根据不同声传感器所测量的声音时间差以及几何算法，进而可以精确的测量出炸点的高度。
所采用的炸点高度的测量结构，包括三个声传感器和一个红外探测器，三个声传感器设置于炸点高度下方的地面上，红外传感器用于测炸点爆炸时刻；
所述的三个传感器的连线组成等腰直角三角形，且三个声传感器设置于同一平面。
参见图1和图2，在空爆弹弹丸爆炸点附近地面布置3个声传感器，分别表示为A，B，C，和一个红外探测器G。
分别放置三个声传感器按图4放置，传感器B作为原点，传感器A、C到传感器B的距离为分别为d1、d2。布置这些声传感器有以下几个要求：
(1)AB和BC垂直；
(2)AB和BC相等；
(3)d1、d2的范围:10-60米；
(4)ABC三个声传感器位于同一平面；
(5)红外传感器根据现场情况放置；
本发明提供的炸点高度测量结构的实现方法，其步骤为：
Step1：测量爆炸点P点到各声传感器之间的距离(米)
如图3所示，横轴为时间t，纵轴为电压函数v(t)，首先用红外探测器测得炸点爆炸时刻作为试验的初始时刻t0；其次，声传感器A经过tCA秒接收到爆炸信号，其与爆炸点的距离为(C为声速，假定是一个常量，等于340米/s)
tGA*C＝PA (2.2-1)
声传感器B经过tGB秒接收到炸点爆炸的信号，其与爆炸点的距离为(C为声速，假定是一个常量，等于340米/s)
tGB*C＝PB (2.2-2)
声传感器C经过tGC秒接收到炸点爆炸信号,其与爆炸点的距离为(C为声速，假定是一个常量，等于340米/s)
tGC*C＝PC (2.2-3)
Step2：计算炸点高度
建立以声传感器B为坐标原点，BC和BA分别为X轴,Y轴的直角坐标系，假定PD垂直AB,PE垂直BC如图4所示：
声传感器A(0,d1,0),B(0,0,0),C(d2,0,0),假定点D、E分别到声传感器B(坐标原点)的距离为a、b，则点D(0,a,0),E(b,0,0).
分别过点D、P做平面DP，分别过点E、P做平面EP，则两平面的法向量分别为
Figure BDA0003175161940000051
由平面方程点向式(《简明数学手册》p2-45)得：
平面DP的方程为：
d1(y-a)＝0 (2.2-4)
平面EP的方程为：
d2(x-b)＝0 (2.2-5)
联立方程(2.2-4)和(2.2-5),得出
Figure BDA0003175161940000052
在三角形PAB中，由(2.2-1)、(2.2-2)知PA、PB的距离，又AB的距离为d1，根据余弦定理得：
Figure BDA0003175161940000053
在直角三角形PDB中，
Figure BDA0003175161940000054
再由勾股定理得：
PD2＝PB2-DB2 (2.2-9)
同理在三角形PBC中，由(2.2-2)、(2.2-3)知PB、PC的距离，又BC的距离为d2，根据余弦定理得：
Figure BDA0003175161940000061
在直角三角形PDE中，
Figure BDA0003175161940000062
再由勾股定理得：
PE2＝PB2-BE2 (2.2-12)
联立(2.2-7)、(2.2-8)、(2.2-10)、(2.2-11)、分别解得a,b的值。
显然，分别在直角三角形PFD和PFE中，由勾股定律得z1，z2，的值。
所以炸点P的坐标为(a,b,z1)或(a,b,z2)，即炸点高度就可以得到。
以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种炸点高度的测量结构，其特征在于：包括设置于炸点附近地面的三个声传感器A、B、C和一个红外探测器，红外传感器用于测量得炸点爆炸的初始时刻；
所述的三个传感器的连线组成等腰直角三角形，并且两直角边的长度为10-60米。
2.根据权利要求1所述的一种炸点高度的测量结构，其特征在于：所述的三个声传感器摆放于同一平面。
3.根据权利要求1所述的测量结构测量炸点高度的方法，其特征在于：步骤为：
1)测量爆炸点P点到各声传感器之间的距离；
首先用红外探测器测得炸点爆炸时刻作为试验的初始时刻t0；其次，声传感器A经过tCA秒接收到爆炸信号，其与爆炸点的距离为PA，C为声速；
tGA*C＝PA (2.2-1)
声传感器B经过tGB秒接收到炸点爆炸的信号，其与爆炸点的距离为PB，C为声速；
tGB*C＝PB (2.2-2)
声传感器C经过tGC秒接收到炸点爆炸信号,其与爆炸点的距离为PC，C为声速；
tGC*C＝PC (2.2-3)
2)计算炸点高度；
建立以声传感器B为坐标原点，BC和BA分别为X轴和Y轴的直角坐标系，假定PD垂直AB，PE垂直BC，
声传感器A(0,d1,0)，B(0,0,0)，C(d2,0,0)，假定点D、E分别到声传感器B(坐标原点)的距离为a、b，则点D(0,a,0)，E(b,0,0)；
最后通过不同声传感器所测量的声音时间差以及几何算法，进而可以精确的测量出炸点P的坐标为(a,b,z1)或(a,b,z2)，即z1或z2为炸点的高度。
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