影響五元十字陣聲學定位精度因素分析*

雷 鳴 陳祥杰

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021)

影響五元十字陣聲學定位精度因素分析*

雷 鳴 陳祥杰

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021)

在空中炸點定位算法中,平面五元十字陣模型及其基于TDOA原理的被動聲定位算法憑借其設計方便、成本低、定位精度高等優點被廣泛使用,但是該模型也存在一定的缺陷,論文主要對影響五元十字陣定位精度的因素進行分析,為被動聲定位算法的改進提供重要的理論依據。

空中炸點; 五元十字陣; 被動聲定位算法; 誤差分析

Class Number TP301

1 引言

隨著科學技術的飛速發展,信息化戰爭已經完全取代了傳統的戰爭模式,成為現代作戰的主要手段,這就對從戰爭中獲取信息的實時性和可靠性有著更高的要求。聲探測定位技術以獨特的優勢被廣泛應用于軍事及民用中。近年來,平面五元十字陣在測量空中炸點定位的領域占有重要的地位,但是實驗證明,平面五元十字陣在使用過程中有很大的缺陷,本文主要針對該算法在公式使用過程中存在的問題以及影響定位精度的因素進行分析,為被動聲定位算法的改進提供重要的依據。

2 五元十字陣模型及其算法

五元十字陣模型的提出主要是為了克服四元十字陣聲定位算法定位精度容易受目標方位角影響的問題,其模型如圖1所示,其中以傳聲器O作為坐標原點,傳聲器A、B、C、D均在坐標軸上,且與中心點的距離均為d,設爆炸點的位置為P(x,y,z),那么各傳感器到P點的距離分表為RO、RA、RB、RC、RD。根據TDOA原理以及傳聲器之間的集合關系可得如下方程組:

(1)

(2)

(3)

結合以上三個方程組,通過推導可得:

(4)

3 初始時刻的驗證

由式(4)可以看出,聲定位的精度取決于時間差,但是該算法存在一個漏洞,即當tAO+tCO-tBO-tDO=0時該算法不可行,此時就需要知道炸點爆炸瞬間的初始時刻,為了驗證該算法是否需要初始時刻,令tAO+tCO-tBO-tDO=0進行驗證。結合方程組(1)、(2)、(3)經計算推導可知,有兩種情況下可以使得tAO+tCO-tBO-tDO=0,即在z軸上以及|x|=|y|,此時的計算公式如下:

圖1 五元十字陣結構圖

1) 在z軸上面時,x=y=0,z=ct；

2) 當|x|=|y|時

(5)

通過以上兩種情況的推導過程,可以看出這兩種情況下是需要初始時刻的,而計時模塊無法精確地提供炸點爆炸瞬間的初始時刻,所以該平面五元十字陣定位算法在這兩種情況下無法實現有效的定位。

4 影響聲定位精度的主要因素

4.1 聲速對定位精度的影響

在五元十字陣被動聲定位算法中,聲速對定位精度的影響不容忽視,而我們一直將聲速當做一個固定量c=340m/s,但是在現實情況下,聲速受到很多外界因素的影響,而且其變換比較大,所以首先要對聲速進行分析和處理。

4.1.1 溫度對聲速的影響

在實際試驗環境中,空氣壓強、密度、溫度、風速等對其都有一定的影響,在大氣中聲速為壓力p,密度ρ0,比熱比γ=Cp/Cv的函數：

Effects of metals in cosmetics on human health(To be continued) 1 10

(6)

式中t表示攝氏溫度,常用的c=340m/s是在國際標準大氣特性下,溫度為15℃情況下的聲速。

(7)

則由溫度變化一起的測時誤差為

(8)

4.1.2 風速對聲速的影響

風速對聲波傳播的影響是明顯的,可以通過對任意兩個相鄰傳聲器Mi、Mi+1的分析來說明風速對定位精度的影響,風速修正圖如圖2所示。

圖中假定聲波的傳播速度為c,聲波在傳聲器Mi、Mi+1間傳播時間為t0。無風時,以聲源到第i個傳聲器的傳播時間為ti=Di/c。倘有風速ω存在,在時間ti內使聲源移動Dω=ω·ti=ω·Di/c。由于聲速ω,聲源相當于(x′,y′),這時

(9)

圖2 風速修正圖

則有:

(10)

因風速的存在引起的時間誤差Δtw：

(11)

由圖2可知

(12)

從而

(13)

所以:

(14)

4.1.3 聲速標定

根據以上分析,可以看出聲速對定位精度的影響是不容小覷的,所以在每次試驗之前非常有必要測出當前環境下的聲速,為此,本文設計出了聲速標定裝置,其結構框圖如圖3所示。其工作原理如下:在某一位置放置一個聲源,在距其一定的位置處放置一個聲宿裝置,然后利用激光探測儀精確地測出兩點之間的距離L,利用距離L以及收發聲信號的時間差t,就可求出聲速c1。但是為了進一步提高聲速的精度,可以使用滑動槽將聲宿裝置向前滑動一定的距離,測出此時的距離L1以及時間差t1,同時也可以求出此時的聲速c2。按此方法多次進行測量,然后對每次求出的聲速進行加權平均,最終求出當前狀態下的聲速c。

圖3 聲速標定裝置原理圖

4.2 計時對定位精度的影響

五元十字陣模型的定位算法是基于TDOA原理的,而且計算得出的定位參數都與時間差密切相關,所以計時模塊的時間讀取直接決定著定位的精度,所以該系統對計時的精度有著較高的要求,而實驗過程中經常使用示波器讀取波形之間的時間差,該方法已經無法達到系統對計時精度的要求,所以在系統設計過程中,選取計時精度較高的stm32單片機作為主控芯片,系統的定時精度可以達到10μs,此時的理論誤差應為3.4mm,但是在實際情況下,影響計時的因素很多。

4.3 聲傳感器對定位精度的影響

本文使用了五個駐極體式聲音傳感器,在性能上不能完全保持一致,尤其在聲傳感器的溫度漂移上存在一定差異,導致聲傳感器引起實驗誤差,駐極體式聲傳感器自帶隨機噪聲信號,且無法對其校零,使得接收到的聲源聲音信號有微弱的失真。另一方面,當炸點聲源與聲傳感器距離較遠時,信號聲壓較弱,聲傳感器自身的隨機噪聲會與聲源噪聲信號相混淆,對有效信號探測造成誤差。

4.4 信號傳輸過程中的誤差

五元十字陣的整個系統可以分為五個模塊:信號采集模塊、信號預處理模塊、單片機計時模塊、電源模塊以及數據顯示模塊。該系統的工作原理如下,當聲傳感器采集到聲信號之后,首先經過聲電轉換將聲信號轉換成電信號,然后經由傳輸線傳送給信號預處理模塊,信號預處理模塊將信號進行放大、濾波、整流、比較后,將比較后的高低電平信號傳輸給單片機計時模塊,控制計時的停止,最后將單片機計時模塊的數據經由串口傳輸給上位機,由上位機顯示出實驗數據,便于讀取。

通過對整個系統的工作流程可以看出,從采集到的聲信號到最終的數據顯示主要經過幾層的數據傳輸和處理,所以該系統對數據的傳輸也有著較高的要求。信號在傳輸過程中的失真甚至丟失對最終的定位也有著一定的影響。尤其是在聲信號采集模塊與信號預處理模塊之間的傳輸,雖然在此過程中選用了屏蔽效果較好的傳輸線,屏蔽了一定信號干擾,但是不可避免地也會存在一定的干擾因素,這些干擾因素以及長距離的數據傳輸會導致信號在傳輸過程中產生一定的失真甚至是丟失,另外數據在串口中傳輸速率存在一定延時,導致數據丟失,造成位置測量不準確。

5 結語

本文主要對影響定位精度的因素進行了分析,由以上分析可見,該平面五元十字陣被動聲定位算法存在一定的缺陷,當目標方位角位于|x|=|y|以及z軸上時,該定位算法不可行,此時需要提供炸點爆炸的瞬間時刻,另外影響定位精度的因素很多,其中主要有聲速、溫度、風速等,這就為被動聲定位算法的改進提供了重要的理論依據。

[1] 肖峰,李惠昌.聲,武器和測量[M].北京:國防工業出版社,2002:7-10. XIAO Feng, LI Huichang. Acoustic, weapon and measurement[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2002:7-10.

[2] Lin Zhibin, Xu BoLing. Three-dimensional Localization of Multiple Acoustic Sources Using Spherical Microphone Array[J]. Nanjing University(Natural Sciences),2007,4(20):384-394.

[3] Steven M.Kay.統計信號處理基礎-估計與檢測理論[M].羅鵬飛,譯.北京:電子工業出版社,2011:185-190. Steven M.Kay.Statistical signal processing based on estimation and detection theory[M]. Luo Pengfei, translation. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2011:185-190.

[4] 劉小剛.基于四元十四字陣的聲被動定位研究[D].南京:南京大學理工大學碩士學位論文,2005. LIU Xiaogang. Research on passive localization of acoustic passive location based on fourteen element and four words[D]. Nanjing: a master’s thesis of Nanjing University,2005.

[5] 白敏.基于TDOA的陸基多點定位設計與定位算法研究[D].重慶:重慶大學,2010. BAI Min. Based on TDOA’s land-based multi point positioning design and algorithm research[D]. Chongqing: Chongqing University,2010.

[6] 董明榮,張彤,許學忠,等.空中炸點被動聲三基陣定位系統誤差仿真[J].系統仿真學報,2011,23(5):897-901. DONG Mingrong, ZHANG Tong, XU Xuezhong, et al. Point passive acoustic Sanji array positioning system error system simulation[J]. Simulation of aerial blast,2011,23(5):897-901.

[7] 雷鳴,陳紹欽,雷志勇.近地炸點聲定位算法研究[J].計算機測量與控制,2012,20(3):734-736. LEI Ming, CHEN Shaoqin, LEI Zhiyong. Research on Localization Algorithm of point near the bombing[J]. Computer Measurement and Control,2012,20(3):734-736.

[8] 葉建森.基于聲延時測量技術的彈落點定位系統的設計與實現[D].太原:中北大學,2009. YE Jiansen. North Central University design and implementation of[D]. Taiyuan: missile impact location system based on acoustic time delay measure technology,2009.[9] Li Ping, Shi Jusheng. Accuracy analysis of Passive acoustic location system in air[J]. Elementary Electroacoustic,2007,31(5):42-45.

[10] Zhang Chuan, Chen Yunxiang, Li Xiaodong. Research on Measuring the Bursting Point Based on time difference of arrival between sound wave and scismic wave[J]. Journal of Detection and control,2007,29(4):31-35.

[11] 嚴素清,黃冰.傳聲器陣列的聲源定位研究[J].電聲技術,2004,12:27-30. YAN Suqing, HUANG Bing. Microphone array sound source localization of[J]. electro acoustic technology,2004,12:27-30.

[12] 柯昆.聲源定位技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2010:29-30. KE Kun. Research on sound source localization technology[D]. Xi’an: Xi’an Electronic and Science University,2010:29-30.

Analysis of Factors Affecting Acoustic Positioning Accuracy of Five Element Cross Array

LEI Ming CHEN Xiangjie

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

In the aerial blast point positioning algorithm, planar five element cross array model and passive acoustic localization algorithm based on TDOA with the convenience of the design, low cost, high precision positioning are widely used, but the model also exist some defects. This paper mainly analyzes the film ring of five element cross array positioning accuracy factors, provides an important theoretical basis for the improvement of passive acoustic localization algorithm.

aerial blast points, five element cross array, acoustic passive localization algorithm, error analysis

2016年9月13日,

2016年10月21日

雷鳴,男,碩士,副教授,研究方向:測控技術與通信技術。 陳祥杰,男,碩士研究生,研究方向:信號處理,通信與信息系統。

TP301

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.004