基于信號彈高度測量方法?

李士林, 王明泉, 侯慧玲

（1 中北大學動態測試技術重點實驗室 山西太原 030051；2 中北大學信息與通信工程學院 山西太原 030051）

0 引言

針對現有信號彈高度測量方法如：傳統交匯法[2-3]，基于雙面陣CCD非對稱交匯測量技術[4]，采用單幅圖像的方法對高度的測量[5-7]等，它們測量方案復雜，對操作人員在技術方面的要求較高，實驗設備價格也比較昂貴的問題，提出基于聲光特性的信號彈高度測量方法。該方法利用信號彈發射產生的聲、光信號在空氣中傳播速度相差較大的特性。可根據信號彈在最高點處聲光到達傳感器的時間差進行測量。仿真表明：它的操作簡單，成本低廉，運行穩定，性能可靠，適用于信號彈高度的測量。

1 信號彈高度測量系統

1.1 聲光特性

聲音和光信號都是自然界常見的信號，且都有直線傳播的特性，但是兩者在空氣中的傳播速度相差卻是比較大的。信號彈發射的高度一般在30～300 m左右，以300 m為例，光和聲音在空氣中傳播300 m距離所用的時間相差比較大，前者只用1 μs，后者需要1 s左右。正是基于信號彈發射時產生聲、光信號且聲、光信號在空氣中傳播速度相差較大的特性，提出了本文的研究與設計。

1.2 信號彈高度測量系統

利用聲音和光在空氣中傳播速度相差較大的特性，通過靈敏度較高的聲音傳感器和光傳感器及相應的信號采集、變換，處理和顯示電路設計出了一套信號彈發射高度測量系統，來測量信號彈發射的高度，此系統具有很好的可實現性和現實意義。

基于聲光特性的信號彈高度測量系統分為4個模塊：信號彈發射模塊、信號采集模塊、信號傳輸和處理模塊、顯示模塊，測量系統總體方案設計如圖1所示。

2 基于聲光特性的信號彈高度測量方法原理

在基于信號彈聲光特性測量高度思想的基礎上，本文設計了系統的數學模型，如圖2所示。

圖1 信號彈測量系統框圖

圖2 基于聲光特性的信號彈高度測量系統數學模型

選擇好信號彈發射點O，距信號彈發射點的水平距離 L的地面適當位置 O1安放靈敏度較高的光傳感器和聲音傳感器，用來采集信號彈在發射過程中產生的聲、光信號，并將采集到的聲、光信號轉換為電信號。信號彈在上升到最高點 O2時產生最強的聲音信號和光信號，此時信號彈的發射高度設為H。對信號彈高度測量系統進行適當延時或人工操作，使光傳感器和聲音傳感器能夠準確采集到最高點時信號彈發出的聲、光音信號。由于聲、光傳感器輸出的信號比較微弱，需要經信號調理電路進行濾波和放大，以達到能進行模數轉換所需的電壓值，從調理電路輸出的模擬信號經A/D轉換芯片轉換為單片機處理器能接受的數字信號。單片機對 A/D轉換后的數字信號進行處理，通過相應的數字信號處理算法，編寫程序，可以計算出信號彈在最高點時產生的聲光信號傳播的時間差Δt。信號彈發射的高度一般在30～300 m之間，忽略光在這段距離的傳播時間,可以近似認為Δt即為聲音傳播到傳感器所用的

由圖2可知，信號彈發射最高點到測試點聲音傳感器的距離為S，即聲音傳播的距離為S，由三角形的勾股定理可以求出信號彈發射的高度 H為：

其中，VS為聲音在空氣中的傳播速度，Δt為聲、光傳感器采集到的信號彈最高點聲、光信號傳播的時間差。

3 實驗與仿真

運用Keil_μVsion2 C51語言編譯環境[8]來完成系統單片機程序的設計：包括程序的編寫、編譯、調試和仿真。程序設計的關鍵為如何求出單片機及 A/D轉換器定時采集判別一組光、聲音信號所用的時間。利用SST 89E516芯片仿真測算確定了測量系統采集一組光、聲信號的時間為1.35 ms左右；利用打火機及人為發出的聲音進行了室內實驗，測出測量系統實際采集一組光、聲信號的平平均時間為1.256～1.287 ms，經分析，該誤差在合理范圍內。

利用煙花來模擬信號彈發射，經測量系統測出了煙花發射的高度。圖3為示波顯示的光、聲模擬信號波形，圖4為 LCD顯示的數據處理結果。

圖3 煙花爆炸光、聲信號波形圖

圖4 LCD液晶顯示測量結果

在圖4中根據LCD顯示的數據可以讀出，煙花爆炸產生的光信號峰值L_max=0.78 V，聲音信號的峰值S_max=2.76 V，n_l的值為30，n_s的值為89，單片機處理一組光、聲信號的時間為1.3 ms，可計算出聲、光信號傳播的時間差為 Δt=（89-30）×1.3 ms=76.7 ms，L=5 m，實驗時聲速為334.5 m/s。由式（1）與式(2)可以計算出出煙花發射的高度為H=25.17 m。

本文一共對10枚煙花模擬信號彈進行了高度測量，其中3枚為普通二踢腳爆竹，7枚為慶典禮炮，實驗測得的數據表示，除第10枚煙花測量的結果由于人為操作不當有明顯錯誤外，其它測得的9枚煙花高度均真實有效，其中所測得3枚二踢腳的高度在4.35～6.02 m之間6枚慶典禮炮的高度在 23.83～28.70 m之間，煙花高度相差在1.67～4.87 m之間。由以上分析數據與實際燃放煙花上升的高度基本吻合，驗證了測量系統的可操作性和準確性。除了煙花高度爆炸的隨機性外，系統的測量結果應該還是有一定誤差的，這主要是由系統誤差與測量算法誤差造成的，因此，系統的測量精度還有待進一步提高，主要可以通過選擇處理速度及精度更高的硬件來進行改進。

通過實驗和仿真驗證了基于聲光特性的信號彈高度測量技術是比較可行實用的，且與其它測量方法相比，測量系統操作簡單，運行穩定，測量成本低，通過改進系統，可以大大提高測量精度，因此基于聲光特性的信號彈高度測量技術有較為廣泛的應用前景。

[1]吳慎將.煙花炸點高度測量方法研究[D].西安:西安工業大學,2010.

[2]張偉.煙花高度的測量方法[J].測繪通報,2004(05):65-66.

[3]吳慎將.煙花高度交匯測量方法研究[J].火工品, 2009(5):50-53.

[4]周承仙,王高.基于非對稱雙 CCD交匯的信號彈高度測量方法[J].測試技術學報,2009(23):240-243.

[5]孔曉東,丁大偉.基于圖像的高度測量方法[J].微機發展,2004(2):35-36.

[6]Criminisi A ,Reid I, Zisserman A. Computing 3D Euclidean distance from a single view[R].Dept.Eng.Science,Univer2sity of Oxford,Technical Report OUEL,2008.

[7]佟文杰.基于嵌入式系統的熱分析儀器測控系統研究[D].北京:北京機械工業學院,2007.