基于五元立體聲陣的被動定位系統設計

蔡克榮， 陳　銘

(上海機電工程研究所，上海 201109)

基于五元立體聲陣的被動定位系統設計

蔡克榮， 陳銘

(上海機電工程研究所，上海 201109)

摘要:半主動激光尋的制導技術因其高精度而廣泛應用于導彈、炮彈和炸彈等領域，但配套的目標激光指示始終是困擾其使用靈活性的最主要問題。針對無人值守激光目標指示器全空域目標被動聲定位的系統需求，設計了一種五元立體聲陣并制作了原理樣機，推導了基于時延估計的目標定位參數解的表達式。通過對懸停直升機目標進行聲測定位結果分析表明：五元立體聲陣可以實現對聲源目標進行測向和測距，角度估計精度較高，誤差小于2°。

關鍵詞:聲陣列； 被動定位； 激光目標指示器

0引言

基于聲傳感器陣列的目標被動定位技術已應用于語音增強、火炮定位、水聲探測等領域，仍在不斷發展新思想、新理論、新方法。目前主要有三種方法可實現聲源定位[1～3]：具有測向能力的波束形成方法，基于子空間分解技術能實現多目標高精度測向的現代方法，以及能同時完成測向和測距的基于時延估計的定位方法，國內外在小基陣被動聲定位系統研究方面主要采用時延估計方法。徐長根[4]和陳華偉等人[5]探討了平面五元十字的定位模型，分析了誤差影響因素，得出了比四元陣具有精度優勢的結論；狄長安[6]和邱揚剛等人[7]提出了立體空間聲陣定位模型，使俯仰角精度得以提高；王偉等人[8]在分析五元十字陣定位誤差的基礎上給出了修正方法，提高了系統定位精度；李昆原等人[9]則提出了一種特殊構型的七元空間立體聲陣模型，使其具有更高的定位精度。

本文針對無人值守激光目標指示器全空域目標被動聲定位的系統需求，設計了一種五元立體聲陣并制作了原理樣機，推導了基于時延估計的目標定位參數解的表達式，并對懸停直升機目標進行了實際測試，實現了較高精度的目標被動聲定位。

1五元立體聲陣設計

1.1無人值守激光目標指示器

半主動激光尋的制導通常采用“人在回路”方式，由操作手或伴隨飛行器搜索并跟蹤目標，在適當時間啟動激光目標指示器對目標發射編碼激光束，引導己方彈藥進行精確打擊。這種方式可有效解決目標搜索、識別、與跟蹤等難題，能夠對目標精確定位，也可有效防止誤傷、過度毀傷和附帶毀傷。同時，對運動目標和時間敏感目標有良好的響應能力，也使得彈藥具有一定的“發射后不管”功能。

半主動激光尋的制導武器的突出特點就是具有高精度打擊能力，但目標激光指示始終是困擾激光半主動制導使用靈活性的最主要問題[10]。由于激光目標指示器的作用距離有限，其所在平臺或操作手須前行到敵方火力范圍內，面臨嚴重的生存威脅。因此，只有改進傳統激光目標指示器才能使其適應新的作戰環境，而無人值守激光目標指示器就是應用小基陣被動聲定位系統對戰場目標進行初始定位，再由光電系統進行精確指示，然后接收指令在適當時機啟動指示器照射目標，通過傳感器融合在無人平臺上實現了激光目標指示器的無人值守，其原理框圖如圖1所示。

圖1　無人值守激光目標指示器系統原理框圖Fig 1　Principle block diagram of unattended laser target designator

1.2五元立體聲陣

基于時延估計的定位技術是小基陣被動聲定位系統的主要技術途徑之一。由N個聲傳感器組成的聲陣列，可得到N-1個相互獨立的時延。聲源目標在空間中有3個位置參數，因此，至少需要4只聲傳感器按一定陣型排列才可實現對聲源目標的空間定位。

目前，已有學者研究了空間立體聲陣用于直升機目標定位的可行性[11]。針對無人值守激光目標指示器全空域目標被動定位的需求，設計了一種五元立體正四棱錐聲陣，具有全空域目標測向和測距功能，目標方位角和俯仰角信息用于引導精確跟蹤模塊，目標距離信息用于光電系統的粗調焦。其構造如圖2所示，γ1～γ5為5只聲傳感器。

圖2　五元立體正四棱錐聲陣示意圖Fig 2　Stereo square pyramid acoustic array with 5 sensors

2聲信號探測系統設計

從空氣中的聲波振動到可處理的聲信號，主要經過聲傳感器、前置放大、主放電路、低通濾波和AD采樣，其原理框圖如圖3所示。

圖3　聲信號探測系統原理框圖Fig 3　Principle block diagram of acoustic signal detection system

2.1聲傳感器選擇

聲傳感器根據原理不同可分為動圈式、壓電式、電容式和駐極體式。駐極體式電容聲傳感器不需要極化電壓，具有體積小、結構簡單、電聲性能好等特點，廣泛用于聲控和聲探測系統中[12]。綜合環境適應性考慮，選擇ABC—9767P全指向駐極體聲傳感器作為敏感元件，靈敏度為(-28±2)dB，頻響曲線如圖4所示。

圖4　ABC—9767P頻響曲線Fig 4　Frequency response curve of ABC—9767P

2.2聲信號調理電路

聲傳感器的原始輸出信號是微弱電壓信號，需設計合適的調理電路，才能在信號放大的同時不失真，以利于后續信號處理。

1)自動增益控制的前置放大

點聲源在自由聲場和半自由聲場中，不考慮介質的吸收作用，傳播距離每增大1倍，聲壓級約下降6dB。因此，在目標運動過程中，聲傳感器輸出信號的幅度起伏很大，前置放大電路須能自適應地根據輸入信號的強弱自動調節電路的放大倍數：在輸入信號較小時，增大放大倍數，使輸出信號仍能達到較高的信噪比；在輸入信號較大時，降低放大倍數，使輸出信號不失真。

以MAX9814自動增益控制放大器為核心設計了前置放大電路，其中，低噪聲前置放大器具有12dB固定增益，可變增益放大器的增益根據輸出電壓和AGC門限在20～0dB間自動調節，輸出放大器增益選擇28dB，低噪聲麥克風偏置電壓發生器為駐極體麥克風提供2V偏置電壓。

2)同相并聯儀表放大器

微弱聲信號經前置放大后，需主放電路對前置放大電路的輸出信號進一步放大。為了在放大差分信號的同時抑制共模信號，設計了同相并聯儀表放大器作為主放，第一級由兩個同相放大器構成，第二級則是一個差動放大器。同時，為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，在電路設計中，上下對稱電阻選用高精度電阻器。

3)低通濾波器

坦克和直升機等戰場聲目標均輻射大量寬帶信號，有低頻發動機噪聲，也有高頻機械摩擦噪聲。在聲源的遠場區，由于聲波經過了一定距離的傳播衰減，聲傳感器所能獲取的大部分是低頻能量。為了減小周圍環境噪聲的干擾，在主放電路之后，以MAX7480設計了低通濾波器，具有八階巴特沃斯濾波器性能，將截止頻率設置為1kHz。

經設計調試后的聲信號調理電路進行了直升機信號的采集試驗，由圖5直升機聲信號時域波形及其功率譜可以看出，聲信號調理電路按照設計實現了微弱聲信號的放大與低通濾波功能，為后續信號處理奠定了基礎。

圖5　聲信號調理電路及其輸出信號Fig 5　Conditioning circuit of acoustic signal and its output signal

3基于時延估計的定位方法

基于時延估計的定位方法其實是一種兩步間接定位方法，第一步是通過時延估計算法得到聲信號到達聲傳感器的時間差，第二步是根據時間差求解目標的空間位置參數。時延估計及其優化算法已得到廣泛研究，本文主要討論五元立體聲陣的目標位置參數解算算法。

圖2中，γa(x,y,z)為聲源位置，γ1位于(0,0,h)，另外4只聲傳感器距離坐標原點距離均為l，按圖示定義目標水平方位角θ∈(-π,π]，垂直俯仰角φ∈[0,π]。聲源到第i只和第j只聲傳感器的聲程差dij等于時延tij與聲速cs的乘積，即

dij=cs·tij

(1)

在平面五元十字陣中存在很多直角三角形關系，可以方便地應用余弦定理建立方程組，而空間立體五元陣的情況并不適合用三角形關系建立精確的關系式，可直接根據式(1)建立以下方程組

(2)

可見，五元立聲陣包含有冗余信息(陣元數為5個，有4個獨立方程，只有3個未知數)，以下推導目標位置參數解的一種表達形式。

通過對式(2)方程組進行聯立求解可得

(3)

(4)

可見，式(3)和式(4)給出了直角坐標系下五元立體聲陣定位參數解的表達式，在得到時延估計值t21,t31,t41和t51之后，即可運算得到目標坐標值。

另外，由圖2可見，有以下關系式

(5)

同理，可得極坐標下五元立體聲陣定位參數解的表達式如式(6)所示

(6)

4試驗驗證

在上述理論設計與分析的基礎上，制作了陣元孔徑為1m的五元立體聲陣，系統采樣頻率為5kHz，對懸停直升機目標進行聲測定位的結果如表1所示(試驗時氣溫27.6 ℃)。由表1可見，五元立體聲陣實現了對聲源目標的距離和角度進行估計，角度估計精度較高，誤差小于2°，可滿足無人值守激光目標指示器初始定位的需求。

表1　懸停直升機目標的聲測定位結果

5結論

針對無人值守激光目標指示器全空域目標被動聲定位的系統需求，設計了一種五元立體聲陣并制作了原理樣機，以全指向駐極體聲傳感器作為敏感元件，并以MAX9814自

動增益控制放大器為核心設計了聲信號調理電路，實現了微弱聲信號的探測和放大。同時，在基于時延估計的目標定位參數解推導的基礎上，開展了懸停直升機目標的聲測定位實驗，實現了對聲源目標的測向和測距功能，角度估計精度較高，誤差小于2°。

參考文獻:

[1]趙玉潔.聲測定位技術的現狀和發展趨勢[J].聲學與電子工程,1993(4):37-41.

[2]Ferguson Brian G.Time-delay estimation techniques applied to the acoustic detection of jet aircraft transits[J].Journal of the Acoustical Society of America,1999,106(1):255-264.

[3]范卓立,黃根春.基于傳聲器陣列的聲源定位算法與誤差分析[J].傳感器與微系統,2014,33(10):108-110.

[4]徐長根,張飛猛.基于五元陣的炮兵聲測數學模型研究[J].國外電子測量技術，2008,27(4):7-9.

[5]陳華偉,趙俊渭,郭業才.五元十字陣被動聲定位算法及其性能研究[J].探測與控制學報,2003,25(4):11-16.

[6]狄長安,閔想,劉新愛，等.帶水平傾角的被動聲定位雙三角陣模型[J].探測與控制學報,2014,36(1):21-24.

[7]邱揚剛,張亞,李世中.五元空間陣聲被動定位算法及性能分析[J].四川兵工學報,2010,31(2):122-125.

[8]王偉,倪明,許將明，等.室內五元十字陣被動聲定位[J].聲學技術,2011,30(1):102-106.

[9]李昆原,葉哲江,邵玉斌，等.多元聲陣被動聲定位研究[J].云南大學學報:自然科學版,2013,35(1):31-38.

[10] 王狂飆.激光半主動制導技術的新發展[J].紅外與激光工程,2008(S3):275-279.

[11] Steadman Robert L,Hansen Scott,Park Chris,et al.Helicopter acoustic alerting system for high-security facilities[C]∥Procee-dings of SPIE,2009:1-8.

[12] 曹一江,孫志斌,劉曉為，等.駐極體聲傳感器信號采集系統研究[J].傳感器與微系統,2006,25(10):19-21.

Designofpassivelocalizationsystembasedonfivecomponentsstereoacousticarray

CAIKe-rong,CHENMing

(ShanghaiElectro-MechanicalEngineeringInstitute,Shanghai201109,China)

Abstract:Semi-active laser guidance technology has been extensively used in missiles,artillery shells and aerial bombs due to its high precision,but target laser indicator which matches to the guidance technology,is the most important issue for operational flexibility.According to the request of target passive acoustic localization in whole space for unattended laser target indicator,a stereo acoustic array with 5 acoustic sensors was designed and made,the localization parameter expressions were deduced in addition.The experiment for a hovering helicopter has been made,and the analyzed results show that,the acoustic array can estimate azimuth angle,pitch angle,and distance of the target,especially the error of angle estimation was less than 2°.

Key words:acoustic array;passive localization;laser target designator

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0067—03

收稿日期：2016—03—07

中圖分類號:TP 277

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0067—03

作者簡介:

蔡克榮(1984-)，男，江西玉山人，博士，工程師，主要從事目標探測技術研究。