【正文】 基于 TIDSP5402 的炮彈聲源定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及算法設(shè)計(jì) 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng) 技術(shù)說明書 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 1 1 系統(tǒng)功能概述 《對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)》用于航空炸彈、航空火箭彈、空對(duì)地導(dǎo)彈等對(duì)地面目標(biāo)攻擊的彈著點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。系統(tǒng)可對(duì)單點(diǎn)、多點(diǎn)連續(xù)對(duì)地打擊時(shí)的彈著點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)實(shí)時(shí)報(bào)靶，并能顯示各種彈著點(diǎn)檢測(cè)的技戰(zhàn)術(shù)參數(shù)。 自動(dòng)向陣地指揮部傳送命中結(jié)果，為修改射擊諸元提供校驗(yàn)參數(shù)，便于各級(jí)指揮員對(duì)整個(gè)實(shí)彈射擊訓(xùn)練過程進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)估。 2 系統(tǒng)主要戰(zhàn)技指標(biāo) 1) 適用范圍：航空炸彈 、 航空火箭彈 、空對(duì)地導(dǎo)彈及觸地爆炸后引起聲波的各種炸彈； 對(duì)單點(diǎn) 、多點(diǎn)投射時(shí)彈著點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)靶。 2) 檢測(cè)精度：測(cè)量范圍（ 500m*500m 陣），誤差小于 5m；測(cè)量范圍（ 70m*70m陣），誤差小于 ； 3) 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間：小于 15 秒； 4) 兩彈、多彈連投最小間隔時(shí)間：大于 30毫秒； 5) 無線傳輸：中心工作頻率： 。 6) 發(fā)射功率：前置處理器 100mW，接收靈敏度： 80dB； 7) 誤碼率：多重校驗(yàn)，差錯(cuò)重發(fā)，趨向于 0。 8) 無線傳輸波特率： 1， 2， 5， 11Mbps； 9) 與指揮系統(tǒng)接口：標(biāo)準(zhǔn)接口； 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 2 10) 使用環(huán)境： 35℃ 常溫下相對(duì)濕度小于 95%， 40℃ — +55℃，承受溫度為 45℃ — +60℃， 抗電磁干擾、 抗振、防潮； 11) 最大功耗：?jiǎn)螜C(jī) 10W ； 12) 供電方式：前置處理器 12V 蓄電池，中心主機(jī)交流 220 伏； 13) 系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間：大于 24 小時(shí)； 14) 設(shè)備尺寸 (mm)： 210 150 330； 15) 單機(jī)重量： 8kg； 3 系統(tǒng)構(gòu)成 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)集 聲學(xué)、數(shù)學(xué)、電子技術(shù)、無線傳輸、數(shù)字信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等 學(xué)科于一體，完成炸彈爆炸后聲波的采集、數(shù)據(jù)無線傳輸、信號(hào)分析處理，通過合理的數(shù)學(xué)模型計(jì)算彈著點(diǎn)的精確位置，同時(shí)對(duì)打擊的結(jié)果進(jìn)行效能評(píng)估。 本系統(tǒng)由前置處理子系統(tǒng)、前置環(huán)境補(bǔ)償子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、信 號(hào)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理評(píng)估決策子系統(tǒng)組成 , 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 3 圖 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 前置處理子系統(tǒng)：它將聲學(xué)傳感器接收的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)遠(yuǎn)程控制放大器放大、 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由 DSP 芯片進(jìn)行初步處理、鑒別 , 并保存數(shù)據(jù)，最后通過無線以太網(wǎng)傳輸給中心主機(jī)進(jìn)行處理。 前置環(huán)境補(bǔ)償子系統(tǒng) :本子系統(tǒng)主要是檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，即溫度、風(fēng)速和風(fēng)向，并將測(cè)量值通過無線傳輸子系統(tǒng)傳給中心主機(jī)，由中心主機(jī)評(píng)估軟件對(duì)聲速進(jìn)行修正補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)檢測(cè)精度。 無線傳輸子系統(tǒng) : 本子 系統(tǒng)將前置處理子系統(tǒng)采集并處理過的對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 4 數(shù)字信號(hào) , 實(shí)時(shí)地傳送給中心主機(jī) , 進(jìn)行信號(hào)處理和評(píng)估。 數(shù)字信號(hào)處理子系統(tǒng) : 通過采用波譜分析和小波分析對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的處理分析 , 實(shí)現(xiàn)了信號(hào)波形的轉(zhuǎn)換 , 干擾及噪聲剔除 , 獲得真實(shí)的爆炸聲信號(hào) .系統(tǒng)根據(jù)這些真實(shí)的爆炸聲信號(hào)按一定的鑒別規(guī)則提取出炸彈爆炸聲波傳播到聲學(xué)傳感器的時(shí)間 , 并提供給 評(píng)估決策子系統(tǒng) 。 評(píng)估決策子系統(tǒng) : 用適當(dāng)?shù)能浖_發(fā)工具 , 由信號(hào)處理子系統(tǒng)得到的每個(gè)傳感器接收到的炸彈爆炸聲的時(shí)間 , 按合理的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出彈著點(diǎn)坐標(biāo)，并用圖形方式顯示出來?？蓪?shí)時(shí)計(jì) 算出炸彈的命中率，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供以后查詢。 4 前置處理子系統(tǒng) 前置處理子系統(tǒng)由聲學(xué)傳感器、可編程信號(hào)放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、DSP系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存貯器、以太網(wǎng)組件及系統(tǒng)電源部分組成。如圖 。 聲學(xué)傳感器可 編 程信 號(hào)放 大 器模數(shù)轉(zhuǎn)換器D S P處 理 器網(wǎng)絡(luò)組件R J 4 5接 口電 源 圖 前置處理子系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖 聲學(xué)傳感器 聲學(xué)傳感器是將彈著點(diǎn)產(chǎn)生的爆炸聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻率的電信號(hào)。為了能從各個(gè)角度接收不同彈種的爆炸聲信號(hào)，研制了全向?qū)拵?duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 5 壓電換能器，其主要參數(shù)為帶寬 500Hz28kHz，介電常數(shù) ε ≈ 1700，機(jī)電耦合系 數(shù) Kt≈ ，接收靈敏度 g33≈ 500 103 伏米 2/牛頓，居里溫度為 365℃。 可編程信號(hào)放大器 增益可編程信號(hào)放大器是將聲學(xué)傳感器接收到的微弱電信號(hào)（μVmV 級(jí)）放大到 05V。其原理見圖 ，電路中采用兩級(jí)低噪聲高輸入阻抗放大器 TLC2272，電路中 2片 9c102 數(shù)字電位器用來改變放大器的增益，由 DSP 芯片根據(jù)中心主機(jī)的指令改變?cè)鲆娲笮?，達(dá)到遠(yuǎn)程控制增益的目的， 如圖 。 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 6 圖 可編程信號(hào)放大器原理圖 高速 A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器采用 16 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS8322，采樣頻率可達(dá)500kHz，它將信號(hào)放大器輸出的 05V音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成 065535的數(shù)字量。其原理見圖 。 DSP 處理控制 系統(tǒng)的核心器件 DSP采用 TMS3205402 芯片 ，它具有高速高精度運(yùn)算能力、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信能力、靈活的可編程性及低功耗設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。原理如圖 。時(shí)鐘電路采用外部時(shí)鐘方式，時(shí)鐘頻率 10MHz，經(jīng) DSP 芯片內(nèi)部鎖相環(huán) PLL 及軟件設(shè)定，系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá) 100MHz。擴(kuò)展 16 32k 的 Flash 程序存貯器 29LV400 和 16 32k 高速 DRAM CY7C1021，系統(tǒng)的地址譯碼使能信號(hào)由可編程邏輯器件 (CPLD) ATF 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 7 22LVPC 產(chǎn)生。圖 中的 74HC244 緩沖器用來輸入子系統(tǒng)的通信地址。信號(hào)燈用來指識(shí)電源電壓和信號(hào)等。 圖 高速 A/D 轉(zhuǎn)換器原理圖 圖 DSP 系統(tǒng)原理圖 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 8 前置數(shù)據(jù)存貯器 數(shù)據(jù)存貯器如圖 所示。圖中 4片 16 256k 高速 DRAM 構(gòu)成 16 1M 數(shù)據(jù)存貯器。 74HC273 鎖存器的輸出 端和譯碼器的地址譯碼信號(hào)共同作為各 CY7C1041的片選控制信號(hào)。 圖 數(shù)據(jù)存貯器原理圖 網(wǎng)絡(luò)組件 以太網(wǎng)接口電路如圖 所示。圖中 RTL8019 為以太網(wǎng)接口芯片，它完成 DSP 系統(tǒng)與中心站主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。圖中芯片 93C46 為串行EEROM，用來存放物理層的通信參數(shù)， 10L8 為隔離線圈，輸出端口為RJ45 標(biāo)準(zhǔn)。 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 9 系統(tǒng)電源 如圖 ，系統(tǒng)中前置處理器主要由 12v 電池供電，其電源分為有 4 種：（１） +9V 電源 :供給信號(hào)放大器。（２） +5V 電源 ：提供給A/D 轉(zhuǎn)換、以太網(wǎng)接口等。 ( 3 )+：提供給予 TMS320— 5402 的I/O口。（ 4） +：提供給 TMS320— 5402 的內(nèi)核電源。采用的芯片分別為穩(wěn)壓芯片 7809,7805 及 TI 公司生產(chǎn)的雙電源輸出芯片TPS73HD318。 圖 以太網(wǎng)接口電路原理圖 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 10 圖 系統(tǒng)電源原理圖 5 環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng) 環(huán)境補(bǔ)償子系統(tǒng)用來測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度、風(fēng)速和風(fēng)向，以補(bǔ)償這些參數(shù)對(duì)聲速的影響。 聲波在空 氣中傳播速度與溫度間的關(guān)系為 : C = ( +T )1/2 從公式中可看出，當(dāng)溫度 T 改變時(shí)，聲速發(fā)生變化，為減少測(cè)量誤差，必須采用溫度對(duì)聲速補(bǔ)償。風(fēng)速和風(fēng)向?qū)β暡▊鞑〞r(shí)間的影響如下圖所示：當(dāng)聲源產(chǎn)生的聲波從 O點(diǎn)以速度 C向 A 點(diǎn)探頭方向傳播時(shí)，如風(fēng)向與 OA 夾角為 θ ，風(fēng)速為 V，則聲波從 O 點(diǎn)傳播到 A點(diǎn)所需時(shí)間為： 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 11 t= L0A C+VCosθ 當(dāng)聲波方向與風(fēng)向夾角為 0 度時(shí)，對(duì)傳播時(shí)間影響最大。如 C=340 米/秒， V=10 米 /秒 , 將產(chǎn)生很大的誤差，所以系統(tǒng)必須通 過風(fēng)速和風(fēng)向補(bǔ)償 , 減少測(cè)量誤差。 該子系統(tǒng)以 philipu 公司 51 系列單片機(jī) 80c552芯片為核心，配置溫度傳感器 ,風(fēng)速傳感器 ,風(fēng)向傳感器 ,RS232接口和無線電臺(tái)組成 ,其原理框圖如圖 80C520溫 度 傳 感 器風(fēng) 向 傳 感 器風(fēng) 速 傳 感 器整 形緩 沖器光 電隔 離E P R O MR S 2 3 2電 臺(tái) 圖 環(huán)境補(bǔ)償 原理框圖 溫度傳感器采用 AD590半導(dǎo)體溫度傳感器 ,其線形度為 %,精度? 攝氏度 , 溫度每變化 1 攝氏度 ,輸出電流變化 1 微安 , 如串聯(lián)10K歐電阻 , 則輸出電壓變化 10mV, 此電壓經(jīng) 80c552 單片機(jī)中的 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 , 再計(jì)算出溫度值 . 溫度為 : 聲源 風(fēng)向 探頭 L 0 A 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 12 2 7 310 )( ?? mvV o u tt 風(fēng)速傳感器采用光電式傳感器 , 輸入電壓 12V, 輸出信號(hào)為脈沖信號(hào) ,風(fēng)速與其頻率成正比 , 脈沖信號(hào)經(jīng)光電隔離、整形 , 由單片機(jī)測(cè)量其頻率 ,并轉(zhuǎn)換成環(huán)境風(fēng)速。 風(fēng)向傳感器采用格雷碼盤光電式傳感器 ,其輸出 7 位數(shù)字量位格雷碼 , 格雷碼值與風(fēng)向傳感器葉片的轉(zhuǎn)角有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，風(fēng)向傳感器輸出的數(shù)字量經(jīng)緩沖器輸入到單片機(jī) 80c552 中 , 并轉(zhuǎn)換成風(fēng)向與基準(zhǔn)方向間的夾角 , 存儲(chǔ)到 RAM中。 單片機(jī) 80c552內(nèi)含 8路 10位 A/D轉(zhuǎn)換 ,最高轉(zhuǎn)換速率為 100Kbps,內(nèi)部 RAM 為 256字節(jié) ,具有 2 個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器 , 高速捕捉比較器 ,看門狗電路等 ,單片機(jī)將采集計(jì)算機(jī)的環(huán)境參數(shù)存儲(chǔ) ,并根據(jù)中心站主機(jī)的指令 ,通過 RS232 接口及無線電電臺(tái)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼局鳈C(jī) .系統(tǒng)的軟件流程圖如圖 。 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 13 復(fù) 位初 始 化采 集 計(jì) 算 溫 度計(jì) 算 風(fēng) 速計(jì) 算 風(fēng) 向傳 輸 數(shù) 據(jù) 上 傳 數(shù) 據(jù)YN 圖 環(huán)境補(bǔ)償數(shù)據(jù)流程圖 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 14 6 無線通信子系統(tǒng) 信 號(hào) 處 理C P U上 位 機(jī)收 發(fā) 站信 號(hào) 處 理C P U收 發(fā) 站信 號(hào) 處 理C P U收 發(fā) 站TR信 號(hào) 處 理C P U收 發(fā) 站TRTR中 轉(zhuǎn) 基 站中 轉(zhuǎn) 基 站中 心 站以 太 網(wǎng)前 置 處 理 子 系 統(tǒng)數(shù) 據(jù) 無 線 傳 輸數(shù) 據(jù) 分 析 計(jì) 算 管 理 以 太 網(wǎng)以 太 網(wǎng)以 太 網(wǎng)以 太 網(wǎng) 圖 無線通信子系統(tǒng) 無線通信子系統(tǒng)作用 ：將前置處理子系統(tǒng)經(jīng)過初步處理的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)地傳送到中心主機(jī)的評(píng)估軟件系統(tǒng)，同時(shí)也將中心主機(jī)的控制信息發(fā)送給前置處理器。該子系統(tǒng)采用先進(jìn) 擴(kuò)展頻譜技術(shù) 的 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備 ，實(shí)現(xiàn)了 數(shù)據(jù)高速無線傳輸，并 具有較高穩(wěn)定性和抗干擾性能、保密性能。 無線通信子系統(tǒng)組成： 前置通信單元： 雙向高速微波單元 、 110176。 板天線天線 10 dBi 板狀定向天線、 饋線。 中繼通信單元： 雙向高速微波單元、 14 dBi 拋物面天線、饋線 。 中心通信單元： 雙向高速微波單元、 90176。 板天線天線 18 dBi、雙向功率放大器、饋線。 對(duì)地攻擊檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)說明書 15 擴(kuò)展頻譜技術(shù) 擴(kuò)展頻譜技術(shù)它用來進(jìn)行保密傳輸。從一開始它就設(shè)計(jì)成抗噪音、干擾、阻塞和未授權(quán)檢測(cè)。擴(kuò)展頻儲(chǔ)發(fā)送器用一個(gè)非常弱的功率信號(hào)在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)發(fā)射出去，與窄帶射頻相反，它將所有的能量集中到一個(gè)單一的頻點(diǎn)。擴(kuò)展瀕譜的實(shí)現(xiàn)方式有多種，最常用的兩種是直接序列和跳頻序列 原理 。 無線高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用了微波擴(kuò)頻技術(shù)、無線全雙工高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使用 GHz 微波傳輸頻率。 該技術(shù)打破了傳統(tǒng)無線 電傳輸理論中的信噪比概念和專用頻道概念，采用寬頻即擴(kuò)展頻率，其所有有效信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后，全部湮沒在噪音基帶之中，而不是在以往要求的噪音基帶之上進(jìn)行檢波。在傳送信號(hào)時(shí)，使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機(jī)碼把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻率進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶的低功率譜密度的信號(hào)來發(fā)射， 直序擴(kuò)頻位數(shù)為 11 位 （是目前擴(kuò)頻位數(shù)最高的），網(wǎng)絡(luò)誤碼率為 108，具有較高的穩(wěn)定性，且不受氣侯條件的影響。由于 采用擴(kuò)頻技術(shù)，保密性好。擴(kuò)頻通信采用碼分多址方式，雖然占用較寬的頻帶，但頻帶利用率較常 規(guī)的無線通信采用的頻分式或