一種基于聲音定位的激光武器系統(tǒng)

劉海江（北京微電子技術(shù)研究所，北京，100076）

一種基于聲音定位的激光武器系統(tǒng)

劉海江
（北京微電子技術(shù)研究所，北京，100076）

本文開發(fā)了一套基于聲音定位的激光武器系統(tǒng)，能快速、準(zhǔn)確地將狙擊手定位。本方案中適用了麥克風(fēng)陣列，利用聲音到達(dá)麥克的時(shí)間差計(jì)算出聲源位置，然后控制激光照射聲源，完成了基于聲音定位的激光武器系統(tǒng)。

聲音定位；激光武器；AD9744

1 研究領(lǐng)域與現(xiàn)狀

1.1 領(lǐng)域

狙擊手主要采用定點(diǎn)射擊的射擊方式,其周圍不配備支援或輔助火力。目前,伊拉克、索馬里、海地等地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)狙擊事件,這些狙擊手多數(shù)沒有經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練，沒有很高的射擊技術(shù)，但即便是這些“客串”的狙擊手,也使處在明面上的正規(guī)部隊(duì)心驚膽戰(zhàn)。不論是常規(guī)作戰(zhàn)還是特種作戰(zhàn)及維和行動(dòng),參戰(zhàn)士兵都將面臨著敵對方狙擊手的威脅。北約維和部隊(duì)到達(dá)波斯尼亞后的第一周里,就出現(xiàn)過9次狙擊事件。頻繁發(fā)生的狙擊事件對整個(gè)維和部隊(duì)產(chǎn)生了不良影響,使官兵處于緊張的心理狀態(tài)下。

本系統(tǒng)旨在制作一套基于聲音定位的激光武器系統(tǒng)，將聲音定位技術(shù)和激光武器技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了對狙擊手進(jìn)行定位并且反擊的系統(tǒng)。

1.2 需求

在戰(zhàn)爭條件下，特別是巷戰(zhàn)中，狙擊戰(zhàn)術(shù)具有戰(zhàn)法靈活、作戰(zhàn)單位小、戰(zhàn)斗效能高等特點(diǎn),是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中以最少資源達(dá)成較高軍事效益的手段之一。只有準(zhǔn)確、快速地發(fā)現(xiàn)并消滅狙擊手,才能保障已方的安全。每支作戰(zhàn)部隊(duì)都迫切需求一款反狙擊手控測系統(tǒng)來減少本部隊(duì)的傷亡。

本文所研制的激光戰(zhàn)斗系統(tǒng)，能夠發(fā)現(xiàn)躲藏在隱蔽角落的槍手，并且使用高功率激光對其進(jìn)行照射，根據(jù)激光功率的不同，可以致盲或直接擊斃敵人。

這項(xiàng)技術(shù)也可應(yīng)用在搜救、娛樂等方面。例如，聲音定位技術(shù)可以用于語音降噪、發(fā)動(dòng)機(jī)故障判別，激光振鏡的控制技術(shù)可以用于娛樂或者對歹徒進(jìn)行非致命擊傷。

1.3 現(xiàn)狀

本文提出的基于聲音定位的激光武器系統(tǒng)在國內(nèi)尚無公開報(bào)道。

國外，美國BBN系統(tǒng)和技術(shù)公司開發(fā)的“槍彈定位器”聲測系統(tǒng),是通過測量彈丸飛行中的聲激波特性來探測彈丸并進(jìn)行分類的。英國和以色列也都已經(jīng)研制出反狙擊手聲探測系統(tǒng)。

但國外的反狙擊系統(tǒng)并沒有使用激光武器，無法對狙擊手進(jìn)行致盲或擊斃。而激光武器系統(tǒng)可以視情況選擇擊斃或致盲敵人，將狙擊手致盲可將其拘捕并且獲得有價(jià)值的情報(bào)。

2 原理方案

本方案設(shè)計(jì)完成一個(gè)基于聲音定位的激光武器系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過三個(gè)擺放于不同位置的聲音傳感器組成一個(gè)聲音接收陣列。通過基于Stc12c5a60s2單片機(jī)系統(tǒng)來計(jì)算聲源到達(dá)聲音傳感器的不同時(shí)間計(jì)算出聲源的位置。

在計(jì)算出聲源位置之后，根據(jù)位置的不同，計(jì)算出光路。單片機(jī)將指令發(fā)送給數(shù)模擬、轉(zhuǎn)換器芯片AD9744后，由AD9744輸出電壓，電壓再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器來控制反射鏡的角度，進(jìn)而控制激光的光路，令激光擊中聲源，總體框圖如圖1所示。

圖1 總體框圖

為了完成上述功能，基本的硬件框圖如圖所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為聲音定位算法部分、通信部分、AD9744芯片驅(qū)動(dòng)、激光角度控制算法。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

4 硬件設(shè)計(jì)

本文使用陣列聲音傳感器采集聲源聲音，然后傳感器的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集之后，送入處理器中進(jìn)行計(jì)算，通過處理器的計(jì)算，求得聲源的方位。然后處理器發(fā)出攻擊信號，啟動(dòng)激光器，激光器的光束出射后，打在兩個(gè)互相垂直的反射鏡上，根據(jù)反射鏡角度的不同，激光器可以出射到任意方向上去，由此，可以精確的打擊到聲源位置。反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度由AD9744進(jìn)行控制。

蜂鳴器，本文使用蜂鳴器模擬槍聲。

圖4 電路圖

音頻信號產(chǎn)生單元電路由2個(gè)三極管、2個(gè)電阻、一個(gè)升壓電感構(gòu)成。電路原理圖如圖5所示。三極管接成開關(guān)電路，當(dāng)輸入高電平時(shí)，Q1、Q2導(dǎo)通，Q2集電極輸出高電平近5V，經(jīng)過升壓電感后，電壓升至50V，用以驅(qū)動(dòng)交流蜂鳴器。為了使蜂鳴器發(fā)聲頻率與環(huán)境噪音頻率遠(yuǎn)離，本文設(shè)定驅(qū)動(dòng)信號為頻率4.5KHz的方波信號，由單片機(jī)IO口提供。交流蜂鳴器在4.5KHz，5V信號驅(qū)動(dòng)下發(fā)聲較小，不利于聲音信號收集，故采用升壓電路提高驅(qū)動(dòng)電壓，使蜂鳴器發(fā)聲響亮，提高接收單元的信噪比。

聲音接收前級處理單元電路由3個(gè)三極管、5個(gè)電阻和一個(gè)隔直電容組成。電路原理圖如圖所示。電路中利用R1可調(diào)電阻調(diào)整麥克的供電電壓，從而控制麥克的輸出信號的幅度，即接收靈敏度。Q1，Q2構(gòu)成兩級共射放大電路，用來放大Q1基極的接收信號。Q3構(gòu)成開關(guān)電路，使Q3集電極輸出高低電平，以判斷是否接收到信號。如果麥克風(fēng)接收到信號，Q3導(dǎo)通，輸出高電平，否則輸出低電平。此信號經(jīng)反相器連接到單片機(jī)的IO口，用來判別聲音到來的先后，根據(jù)兩路信號到來的先后順序來判斷移動(dòng)聲源是否到達(dá)設(shè)定位置。實(shí)際工作中要仔細(xì)調(diào)節(jié)每個(gè)前級處理單元電路的靈敏度以達(dá)到減少誤差的目的。

圖5 聲音接收前級處理單元電路原理圖

5 關(guān)鍵技術(shù)分解

本部分采用雙核分擔(dān)的方法來提高測量的精度。具體方法如下：取Stc12c5a60s2運(yùn)算速度快的長處（24M晶振下速度約為12M晶振的普通51的24倍），它作為信號接收端以較快的速度采集聲音信號，做簡單處理通過串口通信把時(shí)間差信號發(fā)送給另一個(gè)cpu，該cpu主要負(fù)責(zé)于信號處理，經(jīng)過一系列的運(yùn)算得出坐標(biāo)。該方法從根本上解決了采集速度和運(yùn)算復(fù)雜之間的矛盾。

圖6 聲音定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖6，ABC處放置聲音接收器，s為一聲源。聲源發(fā)聲后首先到達(dá)某一個(gè)麥克，如圖，比如拾音器B，此時(shí)開啟定時(shí)器計(jì)時(shí)，在分別到達(dá)AC兩個(gè)接收端時(shí)記錄下定時(shí)器的時(shí)間。難點(diǎn)在于區(qū)分三個(gè)麥克時(shí)所需的判斷，高速的12系列單片機(jī)所使用的時(shí)間為每周期1/24us,此時(shí)誤差僅有0.01mm不足以引起可見誤差。

另一個(gè)單片機(jī)在接收到時(shí)間差后，通過已有公式可以算出坐標(biāo)。該單片機(jī)采集五組數(shù)據(jù)，對這五組（每組三個(gè)，共15個(gè)）數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉一個(gè)最大值，去掉一個(gè)最小值，對剩下的三組數(shù)據(jù)分別求坐標(biāo)，然后求出三組坐標(biāo)所構(gòu)成的三角形的重心，以減小誤差。（平面直角坐標(biāo)系中，重心的坐標(biāo)是頂點(diǎn)坐標(biāo)的算術(shù)平均，即其坐標(biāo)為((X1+X2+X3)/3,(Y1+Y2+Y3)/3)）

激光器的光路控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心和重點(diǎn)。AD9744是一種14位電流輸出型、CMOS D/A轉(zhuǎn)換器，最大刷新率至少可達(dá)165MSPS，工作電壓支持3.3伏，在3.3伏電壓下工作時(shí)功耗小于135毫瓦。在待機(jī)模式下，其功耗約為20mW。該D/A轉(zhuǎn)換器采用了分段電流沉結(jié)構(gòu)，可以有效的減小電流開關(guān)的數(shù)量，從而減小開關(guān)電流的浪涌，改善建立時(shí)間，提高轉(zhuǎn)換器的精度。使用AD9744可以精確地控制激光器的指向。

實(shí)際測試中，激光能迅速擊中發(fā)聲的蜂鳴器，圖7為測試圖。

6 總結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了對聲音位置的精確快速定位，并且使用AD9744對激光的方向進(jìn)行了調(diào)控，使激光能夠準(zhǔn)確地?fù)糁新曉础５捎谑菍?shí)驗(yàn)室環(huán)境，無法配置大功率的激光器和更準(zhǔn)確的聲音傳感器，因此在野外環(huán)境中的使用，還需要進(jìn)一步更換性能優(yōu)良的元器件，并進(jìn)一步測試。

圖7 測試圖

本文設(shè)計(jì)的能夠自動(dòng)定位打擊敵人的戰(zhàn)斗系統(tǒng)，設(shè)計(jì)上比較新穎，方案比較嚴(yán)謹(jǐn)，內(nèi)容可以實(shí)現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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A laser weapon system based on sound localization

Liu Haijiang
（Beijing Microelectronic Technology Institute，Beijing，100076）

In this paper, a laser weapon system based on sound location is developed, which can locate snipers quickly and accurately. The microphone array is applied in this scheme. The sound source position is calculated by the time difference of sound arriving at Mike, then the laser source is controlled, and the laser weapon system based on sound localization is completed.

sound localization; laser weapon; AD9744

劉海江（1978.12.28），男，漢族，籍貫山東臨沂，研究生，中級工程師，研究方向芯片測試。