关于狙击手声学自动定位设备的设计与实现的研究

关于狙击手声学自动定位设备的设计与实现的研究

唐正勇

上海申华声学装备有限公司

摘要：本文在声学定位系统技术基础上，对该设备的设计方式进行分析，使士兵在战争中受狙击手的威胁得以降低，提高打击狙击手的准确度，降低士兵伤亡率，通过采用新型信息技术与自动定位设备，根据狙击步枪激发时产生的声波，对狙击手的位置进行定位，并对测试结果加以阐述。

关键词：狙击手；声学定位设备；仿真分析

引言：随着科技的不断发展，定位技术的类型不断增加，声学定位属于其中重要组成部分，通过被动探测的方式，对目标运动时发出的声波信号进行检测，分析声学特性后确定目标位置与状态。该技术具有抗电磁干扰力强、隐蔽性强、不受视线干扰等特征，被广泛应用于军用与民用之中。

1.狙击手声学定位系统的技术基础

该定位系统主要通过声传感器阵列对狙击手子弹激发后弹丸飞行产生的激波进行收集，从而确定狙击手的位置与状态。当狙击手的步枪激发后，膛口波随之产生，且声源位于枪口处，通过球面波的方式传播到传声器天线中，在此期间存在一定的传播时差，以此可计算出狙击手的位置与高度角。同时，借助弹丸超音速飞行中产生的激波，还能够对武器的口径进行判断，进而得出子弹的飞行距离、轨迹等相关信息。

2.声学自动定位设备的设计

2.1系统构成

该系统主要包括预处理电路、传声器、声源处理信号、结果显示器四个部分，硬件电路能够对枪声信号进行收集，减少噪声干扰，增强信噪比，发挥数字信号处理器的运算作用，对声源信息进行计算和探测。传声器在系统中具有“耳朵”的作用，能够将枪声信号值转变为电信号，采用高性能等幅频均匀的驻极体电容式话筒、精密放大电路等，满足了射击信号的范围和特性。该信息能充分反映被测信号的全部信息，在整个系统的运行中起着决定性的作用。

在对枪声信号进行转变处理后，使其变为电信号，其中仍然掺杂着干扰信息，如风声、生活噪声等等，此时我们需要起到预处理电路的作用，首先将射击信号调整到合适的幅度，然后使用模拟反混频滤波器将采集到的射击信号从中提取出来。将其发送到射击信号处理电路中，实现A/D量化。在数字信号处理器的作用下，检测子弹的枪口波，检测狙击手的当前位置、子弹的距离和子弹的轨迹。计算出武器口径等相关信息，并将检测结果传输到结果显示单位中，由该单元通过图片、文字等形式对结果信息进行展示[1]。

2.2预处理电路

该单元主要包括放大电路、抗混滤波器、模拟切换开关构成，其中，抗混滤波器主要利用高阶巴特沃兹滤波器，确保通带中幅度的平坦。在对枪声信号进行计算时，往往受到通道相位差的影响出现时延，进而影响到计算的准确度，为了避免和克服上述问题，应在滤波器设计中采用不超过1%的容差电阻与5%以内的容差电容来完成。在枪声信号发起后，形成了膛口波与子弹波两种，二者的动态差别较大，通常子弹波的信号较大，但膛口波的信号却较为微弱。对此，简单地满足放大电路的要求是不可能的。放大器电路主要分为高增益和低增益两个方面。在电子开关的作用下，当未发生枪击状况时，通过低增益电路的方式来获取信号，当发生枪击时，则需要采用高增益电路，声源信号处理电路输出控制代码将开关切换到高增益电路，为炮口波检测提供方便。在硬件方面，要保证电路的恢复时间，缩短开关的时间。更重要的是要保障高、低增益的准确性，避免使结果信息受到干扰。两种增益放大电路均具有四档倍数可以调节，能够以周围环境噪声的强烈进行适当调整。

2.3声源信号处理电路

该电路主要包括数字信号处理器（DSP）、A/D芯片、枪声信号存储器构成，声源信号的识别准确度将对探测精度、武器口径识别等产生直接影响，因此，声源信号处理电路应具备较高的稳定性、分辨率。A/D转换芯片使用AD7606，属于16位同步采样数据系统，包括数字滤波器、二抗混叠滤波、2.5V基准电压源等，全部通道的采样速率均可达到200ks/s。该系统的核心为高速数字信号处理器，能够对声源信号进行准确的收集和判断，其运算方式较为复杂，数据量较大，因此对处理器的运行速度要求较为严格，在成本、功耗均满足要求的情况下，可选择TIC6747DSP，该设备具有运算速度快、功耗低、能力强等特点，能够充分符合声学自动定位设备的设计要求[2]。

3.声学自动定位设备的仿真分析

将子弹波到达自动定位设备的时延假设为1，声速设置为340m/s，子弹出膛的速度为840m/s，通过仿真方式对时延因素对狙击手定位产生的误差量进行分析。

（1）方向角误差

假设分别在目标方向角为80°、40°、20°等方向进行仿真分析，不同传声器阵列尺寸为D时，当方向角为80°时，传声器阵列的长度为0.1时，目标方向角误差为0.3°；当方向角为40°时，传声器阵列的长度为0.1时，目标方向角误差为0.45°；当方向角为20°时，传声器阵列的长度为0.1时，目标方向角误差为0.8°。由此可见，目标方向角的精度与传声器阵列尺寸之间成反比例关系，具体如下图1所示。

图1不同传声器阵列尺寸目标方向角精度仿真

（2）俯仰角误差

从多种类型传声器阵列尺寸目标俯仰角的仿真结果可知，在时间误差相同的情况下，目标方向角的精度与阵列尺寸呈现正比例关系，即方向角随着精度、尺寸的增加而增加。在条件满足的情况下，可以适度的增加阵列尺寸，使目标定向精度随之得以提升。另外，在目标方向角俯仰角与精度上也存在正比例关系，在尺寸阵列相同的情况下，俯仰角越大，方向角的测量精度也随之提升。另外，从仿真结果中还可看出，俯仰角、精度、阵列尺寸上均存在正比例关系，当阵列尺寸增加时，目标俯仰角探测精度、角度也将随之提升。在传声器尺寸一定时，俯仰角越大，精度误差也就越大，因此处于垂直面的目标能够得到最佳精度目标与俯仰角。

距离误差

距离精度与所探测的距离存在一定关联，从传声器阵列与探测距离两个方面进行仿真分析。距离误差的计算公式为：

式中，r代表的是距离误差；C代表的声速；TQD代表的声波到达传声器间的时间差；代表的探测距离；

当阵列尺寸特定时，即数值为0.2m，探测距离位于40—130m，绝对误差与探测距离之间呈现正比例关系。当假设条件均符合时，探测距离超出该距离，则绝对误差与探测距离之间将呈现反比例关系，随着距离的不断增加，误差逐渐减小。当探测距离特定时，如100m，阵列尺寸在0.1—1.0m范围内变化，此时探测距离的相对误差将随着尺寸的增加而逐渐减小，二者呈现出逐渐下降的状态，即阵列尺寸与探测距离之间存在反比例关系。当阵列尺寸与探测距离均处于变化状态时，如若探测距离较近，才可采用较小的阵列尺寸来降低绝对误差；如若探测距离较大，则阵列尺寸也将随之不断增加[3]。

声学自动定位设备的实现

经过A-/D转换后，定位设备利用数字滤波器对离散信号进行处理，然后对弹波进行分析，此时处理器将会根据当前数据与前n个点的平均值进行对比，一旦数值与门限值相比较大，则将其看成有弹道波信号，在对该信号进行检测后，便对声源信号中的膛口波进行检测，检验方法同上。通过对炮口波的分析，计算了炮口波与传声器的时间差，以判读模块为依据，对时延大小进行计算，在对子弹波的波形进行分析时，根据特征数值对武器的口径大小进行分析，最后再通过两种波形传入到传声器中的时间，构建武器弹道的方程模型，通过最小二乘法对参数进行评估，从中得出子弹速度、距离等相关信息，对狙击手当前所处位置、子弹轨迹等进行分析。本次从场外性能测试主要设备为狙击手声学定位系统、支撑架、发令枪等，图2为声学定位系统。

图2声定位实验设备

在距离与方位固定的情况下，对不同列阵角度进行测试，调整好阵列

后，在100m距离的正南方向固定，每次转动30°阵列，每个角度进行五次定向测试，测试结果表明，当数组角不同时，标准差之间的方位角测量分小于5°，这充分表明，系统已在多个数组的方位角测量精度高的角度。虽然采用折叠式结构，使机械结构的稳定性无法充分发挥出来，但能够对最终结算结果的偏差进行有效控制，从测试结果来看，该系统基本实现了对狙击手目标位置的定位功能。

在方位与阵列角度固定的情况下，分别在50m、100m、150m、200m与250m的距离处进行测试。从测试结果可知，在50—150m的范围内，方位角测试结果的均方差均不超过5°，随着距离的不断增加，均方差也随之不断提高。由于受到强大的风力因素影响，导致发令枪与真实步枪之间的弹药存在差别，在声源的级别上前者与后者相比较小，如果使用真正的狙击步枪进行测试，系统的定位距离会有所增加，该设备具有操作简便、体积小、功耗小、携带方便等特点，且对声源敏感度高、探测效率高，目前已经在多种环境下进行应用，可准确探测出各类武器口径、狙击手的位置与状态，

结论：综上所述，在声学定位原理的基础上，本文设计出了一种可全方位、多角度探测狙击手的自动定位系统，并可通过语音、显示设备等展示狙击手当前所处的位置，使士兵在战斗中伤亡率降低，提高进攻优势，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]张小华.狙击手声学定位系统试验样机研制[D].哈尔滨工程大学，2014.

[2]冯策，蒋灏，赖东林，等.狙击手声学定位设备的设计与实现[J].电声技术，2015，36（6）：41-43.

[3]王亚媛.基于射击声音模型的狙击手定位和子弹参数估计的算法研究[D].安徽大学，2016.