【文章內(nèi)容簡介】 ，而高頻聲波在空氣中很快就衰減了。 (2) 植被和氣流的吸收 聲波在大氣中傳播同時還要受到地面植被吸收和氣流吸收，植被聲吸收系數(shù)在高頻段較大，低頻段很小，在傳播距離小于 200m 時，植被吸收系數(shù)很小。 [4] 環(huán)境對聲傳播的影響 聲波在大氣中傳播時，除了球面波發(fā)散引起的聲衰減以及由于聲波的反射、衍射和散射引起的損失外，還有由環(huán)境和其他條件引起的逾量衰減，它包括下述幾種因素：雨、雪、霧等氣象條件；風和溫度梯度；草地、灌木林、樹木等地面效應。 戰(zhàn)場環(huán)境中，對聲傳播 影響最大的氣象因素是溫度和風。 溫度對聲傳播的影響 溫度對聲音的影響表現(xiàn)在對聲速的影響?？諝庵?，聲音是以縱波形式傳播的。聲速是氣體中各種分子量、比熱、溫度的函數(shù)： C RTM?? 式中 C：聲速 ?：氣體比熱 ??????????M：氣體分子量 ???????????T： ?氏溫度 ?R：普適氣體常數(shù) ?空氣中的聲速可用經(jīng)驗公式表示為： 3 3 1 . 4 1 3 3 1 . 4 0 . 62 7 3 . 1 6TCt? ? ? ? 式中 t為攝氏溫度 在空氣中，溫度越高，聲音傳播的速度越大，反之 越小。當溫度梯度為正，即上層溫度高于下層溫度時，聲音的傳播會向上彎曲，反之，當溫度梯度為負，即下層溫度比上層溫度高時。聲音的傳播會向下彎曲。在近地層大氣中，溫度是不均勻分布的，近地層中溫度的分布總是存在著梯度，有時呈現(xiàn)正溫度梯度，有時呈現(xiàn)負溫度梯度。因此，在定向和定距中，大氣溫度的不均勻性及多變性，對聲音的傳播影響很大。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)論文 10 風對聲傳播的影響 眾所周知，在氣象學上，在靠近地面的 1． 2~1． 5km范圍內(nèi)的薄層大氣稱為大氣邊界層。該層內(nèi)根據(jù)空氣受地面影響不同又將 50~100m以下氣層稱為近地層。 根據(jù)聲 信號的使用特點，它主要工作在近地層。近地層內(nèi)，一般風的速度為每秒幾米，大風時，可以達到每秒十幾米，甚至更大些。風對聲信號的干擾一是風速對有效聲速的影響。二是風速梯度使聲線產(chǎn)生彎曲，三是風速的變化以及由于氣流通過聲引信形成的湍流和由于周圍氣流不斷變化而形成的湍流，在聲引信上產(chǎn)生很大的交變電壓，使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。前兩種干擾將使對聲目標的測向及定位產(chǎn)生誤差，而后一種干擾則使聲引信收到的信號信噪比下降。對此可以在預處理中通過去除均值和趨勢項來減小它對目標信號的影響。另外，各路信號的幅度響應也不完全一致，可以通過規(guī) 范化預處理來消除由于各路信號幅值的差異對時延估計精度的影響。 某一時刻空間一點某一方向上的風速為 g? ? ??? 式中， ? 為平均風速； g? 為陣風風速。 實際觀測表明，近地層中風的大小和方向隨時間變化很迅速，對聲引信來講，平均風主要影響其探測距離，陣風主要影響其信噪比，進而影響對目標探測的正確率。 [5] 武器中特有的聲波 彈頭聲波信號的產(chǎn)生 狙擊步槍 射擊時可以產(chǎn)生兩種瞬態(tài)聲音信號 :第一種是子彈被擊發(fā)過程中子彈的火藥爆炸，高溫、高速、高壓氣流將彈頭推出槍口時形成的膛口激波；第二種是彈丸在大氣中超音速飛行時產(chǎn)生的沖擊波，也叫做馬赫波 (Machwave)。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)論文 11 圖 小口徑武器擊發(fā)過程中產(chǎn)生的聲波信號 彈頭沖擊波和膛口激波的波形參數(shù)攜帶了槍械口徑、子彈飛行的彈道參數(shù)等信息，而它們到達麥克風的時間和方向確定了射擊者和探測器之間的相對位置，通過對這兩種聲音信號的檢測和識別，可以對射擊者的進行定位。因此對于狙擊手聲探測系統(tǒng)來說，這兩種聲波信號至關重要。 圖 槍聲傳播模型 彈頭沖擊波 彈丸在大氣中超音速飛行時，彈頭表面與空氣劇烈摩擦時會產(chǎn)生強烈的嘯叫聲，這個聲音信號就是彈頭沖擊波信號，它是以錐形的方式向外擴散，這個錐體也叫做馬赫錐，彈丸在馬赫錐的頂點，錐面以聲速遠離彈丸飛行路徑向外傳播，示意圖如圖 所示， ?是馬赫角， M 為馬赫數(shù)， C 為一個大氣壓下的聲音速度，有 1arcsin( )M M? ? () /M v C? () 清華 大學 2020 屆畢業(yè)論文 12 根據(jù)式 和 ，聲速 C 一定時， M 與 v 成正比。當子彈速度 v 遠大于聲速 C 時，則馬赫數(shù) M 較大，馬赫角 ?很??；當 M 無窮大時， M? =0，彈頭沖擊波幾乎垂直于子彈飛行的彈道向外傳播。當子彈的速度 v 接近聲速 C 時， M 約等于 1，而 M? 接近 90176。，沖擊波近似與子彈路徑平行傳播。一般情況下， 如果射擊者與目標相距數(shù)百米，則要考慮空氣阻力對子彈速度的影響。當子彈受到空氣的摩擦，其速度將逐漸減小，同時沖擊波的馬赫角 ?逐漸變大，直到?jīng)_擊波消失，子彈速度減至低于音速之前，馬赫角 M? 趨于90176。因此，實際馬赫錐的錐面是凸的。 圖 超音速沖擊波 子彈超音速飛行過程中，彈頭前的空氣迅速地被壓縮，被壓縮空氣的壓強快速上升一個最大值 Pmax； 空氣壓縮之后的空間內(nèi)空氣比較稀薄，近似為真空狀態(tài)，壓強迅速下降，短時間內(nèi)到達一個相應的負壓 Pmin，彈丸飛過后，壓 強突然相互抵消，恢復正常值P0因此，整個過程沖擊波信號波形成“ N”形狀，示意圖如圖 。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)論文 13 圖 “ N”形波的形成 根據(jù)圖 和圖 ， Pmax與周圍正常壓強 P0比為： 12 8m a x310 44( 1 )0 .5 3( ) ( )pm iss pdP MP dl?? ? ? () 式中， pd 為子彈的口徑， pl 為子彈的長度， M 是馬赫數(shù)， misd 為麥克風到彈道的距離。 “ N”波持續(xù)時間 T 為： 1431284()1 .8 2()( 1 )pm is spdMdTC lM?? ? ?? （ ） 式 和式 在遠場情況下非常有效，由式 和式 ，沖擊波信號峰值壓強 Pmax和持續(xù)時間 T 的比值為： 2m a x 01 .8 20 .5 3 1m is sMdTP C P M?? ?? ? 膛口激波 步槍射擊時，子彈的火藥在窄小的空間內(nèi)燃燒產(chǎn)生 的高溫、高壓、高速的爆炸氣流將彈丸推出槍膛，當子彈出膛后，噴出槍口的氣流形成了膛口激波，以聲速從槍口向四周傳播。膛口激波信號近似為球面波，如圖 所示；隨著傳播距離的增加，其強度遭到嚴重衰減；同時它的頻率較低，與沖擊波相比，更易受到干擾和噪聲的影響。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)論文 14 圖 膛口激波的形成 膛口激波攜帶了射擊者方位信息，從麥克風的角度看，如果傳播路徑中沒有障礙物，膛口激波直接從射擊者傳向麥克風方向。當射擊者與麥克風之間存在建筑等障礙物時，膛口激波就會被遮擋；同時射擊者也可以裝備消聲設備來削弱膛口激波，因此膛口激波不是一個非常穩(wěn)健的信號。 膛口激波與沖擊波不同，其信號強度較弱，頻率低。在沖擊波信號之后出現(xiàn)，沖擊波的反射波和較大的噪聲就可以將膛口激波淹沒，特別是麥克風遠離射擊者的時候。因此，膛口激波在檢測之前要進行必要的處理，目的是抑制或削弱不需要的噪聲和干擾，同時提高膛口激波信號的信噪比，以便有 利于信號的檢測。 膛口激波信號本身強度較弱，但它有著自身的特點。沖擊波及其反射波能量主要分布在高頻，而膛口激波的能量主要集中在約 1 00Hz~600Hz 的低頻范圍內(nèi)，接收到的槍聲信號經(jīng)過帶寬為 500Hz 左右的帶通濾波處理，可以濾除大部分的噪聲、沖擊波反射波的能量，以消除對膛口激波的干擾。 圖 膛口激波時域模型 清華 大學 2020 屆畢業(yè)論文 15 未經(jīng)過處理的膛口激波時域波形圖如圖 。根據(jù)模型圖對膛口激波的時域特征參數(shù)進行分析，獲取的特征參數(shù)如下： (1) 膛口激波的持續(xù)時間 Tm，即點 A~點 E 持續(xù)時間。 (2) 正峰上升持續(xù)時間 Tmr，即點 A~點 B 持續(xù)時間。 (3) 正峰持續(xù)時間 Tm1，即點 A~點 C 經(jīng)歷的時間。 (4) 負峰持續(xù)時間 Tm2，即點 C~點 E 持續(xù)時間。 (5) 正壓峰值到負壓峰值的持續(xù)時間 Tm3，即點 B~點 D 持續(xù)時間。 (6) 膛口激波壓力最大值 Pmax。 (7) 膛口激波壓力最小值 Pmin。 (8) 膛口激波的功率 Pm， Tm持續(xù)時間內(nèi)的信號功率，即： 211 ()mTmnmP x nT ?? ?。 (9) 膛口激波正峰值 Tm1 時間內(nèi)的功率 Pm1： 1 21 111 ()mTm nmP x nT ?? ?。 (10) 膛口激波正峰值 Tm2 時間內(nèi)的功率 Pm2： 2 22 121 ()mTm nmP x nT ?? ?。 (11) 膛口激波正峰值 Tm3 時間內(nèi)的功率 Pm3： 3 23 131 ()mTm nmP x nT ?? ?。 (12) 膛口激波沖擊波正壓上升速率 RUP，即 AB 段幅值上升速率。表征單位時間內(nèi)壓力上升的大小。 RUP=(PmaxPA)/ Tmr，其中 PA 為點 A 的壓強。 上述的 Em與檢測環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)幀能量 Ed 是有不同的意義的。 Ed 是信號經(jīng)濾波處理后的能量，是為了檢測該數(shù)據(jù)中是否含有可能的膛口激波信號；而 Pm， Pm1， Pm2， Pm3是未經(jīng)過濾波處理的信號功率，是過門限檢測后進一步對信號的能量進行分析，是待識別信號的原始特征。 [6] 本章小結(jié) 本章從聲的相關概念出發(fā)介紹了聲波在大氣中的傳播規(guī)律、聲波的傳播模型、聲波傳播過程中的衰減、環(huán)境對聲波的影響等相關理論，接下來針對該課題介紹了武器中兩種特有的聲波，即彈頭沖擊波和膛口基波，為以后的 MATLAB 仿真提供信號源模型。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)論文 16 第三章 聲定位原理 利用目標運動時發(fā)出的噪聲來確定目標的位置，是被動聲探測系統(tǒng)測定目標位置的關鍵技術(shù)，系統(tǒng)以被動方式測出目標聲音的參數(shù)，利用 聲程差和傳聲器陣列的幾何關系來確定目標方向和距離。 在聲測定位系統(tǒng)中 ,如何有效地提高定位精度是當前研究的熱點問題。聲測陣列和時延估計算法的選擇是影響定位精度的主要因素 ,因而對聲測陣列和時延估計算法的研究成為當前的關鍵技術(shù)。 聲測陣列 聲測陣列可分為線陣、面陣和立體陣。在這些陣形中，線陣結(jié)構(gòu)最簡單，應用也很廣泛，艦艇的聲納系統(tǒng)常用線陣。對于固定式陣列來說，線陣只能對陣列所在直線為界的半個平面進行定位，否則沒有唯一解。面陣可以在整個平面對目標進行定位，也可以對陣列所在平面為界的半個空間進行定位。立體陣則 可以對整個空間定位，但其算法要復雜得多。由于聲定位系統(tǒng)布置于地面，目標為低空，超低空飛行目標，因此采用平面陣是可行的。對線陣進行組合，構(gòu)成面陣，就可以對空間目標進行定位。由于陣列形式的不同，定位算法性能和精度也大不相同，所以選擇一個好的陣形在被動聲定位中有著重要的作用。三維空間中的定位有三個自由度，對應要有三個獨立的時延才能得到目標位置，那么至少需要四個傳感器才能實現(xiàn)對空間目標的定位?，F(xiàn)使用的試驗系統(tǒng)中主要采用的有平面四元陣、立體四元陣和立體五元陣。 考慮到定位要求及其快速性，對于該課題的情況采用平面陣作為 定位陣列較為適宜。由于十字形陣列具有分維特性 (指二維參量可分開估計 )，且陣列冗余度也較小，因此，本課題采用平面四元十字陣作為定位陣列。 對十字形聲傳感器陣列，可建立如圖 所示的直角坐標系。四個陣元的坐標分別為 S1(D/2， 0， 0)， S2(0， D/2， 0)， S3 (D/2， 0， 0)， S4 (0， D/2， 0)，設目標聲源的直角坐標為 (x， y， z)、球坐標為 (r， ?， ?)，即目標到坐標原點的方位角為 ?，俯仰角為?,D 為十字陣對角線陣元之間的距離。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)論文 17 假設目標為點聲源，目標產(chǎn)生的聲源以球面波的形式向外傳播，聲源到達陣元 S1的傳播時間為 t1，相對于 S1聲源到達陣元 S2， S3， S4的時延分別為 ???、 ???、 ???。目標到坐標原點的距離為 R，俯仰角為 ? ( 0? ?? 90176。 )，方位角為 ? ( 0? ?? 360176。 )與時延 ???、???、 ???及陣元間距 D的關 系式可推導如下： (設 C為聲速 ) (xD/2)2+y2+z2=(Ct1)2 x2+(yD/2)2+z2=(Ct1+C??????(x+D/2)2+y2+z2=(Ct1+C?13)2 x2+(y+D/2)2+z2=(Ct1+C?14)2 球坐標和直角坐標之間的互化為 x=rsin?cos? y=rsin?sin? z=rcos??求解方程消去 x,y,z可得出目標、方位角和俯仰角信息 [8] 時延估計算法 時延估計概述 所謂時間延遲，簡稱時延，是指在陣列被動定位中，不同接收器 所接收到的信號的同