【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 風(fēng)對(duì)聲傳播的影響眾所周知，在氣象學(xué)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(hào)的使用特點(diǎn)，它主要工作在近地層。近地層內(nèi)，一般風(fēng)的速度為每秒幾米，大風(fēng)時(shí)，可以達(dá)到每秒十幾米，甚至更大些。風(fēng)對(duì)聲信號(hào)的干擾一是風(fēng)速對(duì)有效聲速的影響。二是風(fēng)速梯度使聲線產(chǎn)生彎曲，三是風(fēng)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(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。前兩種干擾將使對(duì)聲目標(biāo)的測(cè)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(hào)信噪比下降。對(duì)此可以在預(yù)處理中通過去除均值和趨勢(shì)項(xiàng)來減小它對(duì)目標(biāo)信號(hào)的影響。另外，各路信號(hào)的幅度響應(yīng)也不完全一致，可以通過規(guī)范化預(yù)處理來消除由于各路信號(hào)幅值的差異對(duì)時(shí)延估計(jì)精度的影響。某一時(shí)刻空間一點(diǎn)某一方向上的風(fēng)速為 g???式中， 為平均風(fēng)速； 為陣風(fēng)風(fēng)速。?g實(shí)際觀測(cè)表明，近地層中風(fēng)的大小和方向隨時(shí)間變化很迅速，對(duì)聲引信來講，平均風(fēng)主要影響其探測(cè)距離，陣風(fēng)主要影響其信噪比，進(jìn)而影響對(duì)目標(biāo)探測(cè)的正確率。 [5] 武器中特有的聲波 彈頭聲波信號(hào)的產(chǎn)生狙擊步槍射擊時(shí)可以產(chǎn)生兩種瞬態(tài)聲音信號(hào):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(shí)形成的膛口激波；第二種是彈丸在大氣中超音速飛行時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，也叫做馬赫波 (Machwave)。清華大學(xué) 2022 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(hào)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(dá)麥克風(fēng)的時(shí)間和方向確定了射擊者和探測(cè)器之間的相對(duì)位置，通過對(duì)這兩種聲音信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別，可以對(duì)射擊者的進(jìn)行定位。因此對(duì)于狙擊手聲探測(cè)系統(tǒng)來說，這兩種聲波信號(hào)至關(guān)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(shí)，彈頭表面與空氣劇烈摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的嘯叫聲，這個(gè)聲音信號(hào)就是彈頭沖擊波信號(hào)，它是以錐形的方式向外擴(kuò)散，這個(gè)錐體也叫做馬赫錐，彈丸在馬赫錐的頂點(diǎn)，錐面以聲速遠(yuǎn)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(gè)大氣壓下的聲音速度，有 ()1arcsin()M?? ()/vC清華大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文12根據(jù)式 和 ，聲速 C 一定時(shí)，M 與 v 成正比。當(dāng)子彈速度 v 遠(yuǎn)大于聲速 C 時(shí)，則馬赫數(shù) M 較大，馬赫角?很?。划?dāng) M 無窮大時(shí)， =0，彈頭沖擊波幾乎垂直于子彈M?飛行的彈道向外傳播。當(dāng)子彈的速度 v 接近聲速 C 時(shí)，M 約等于 1，而 接近 90176。，M?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(biāo)相距數(shù)百米，則要考慮空氣阻力對(duì)子彈速度的影響。當(dāng)子彈受到空氣的摩擦，其速度將逐漸減小，同時(shí)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，馬赫角趨于 90176。因此，實(shí)際馬赫錐的錐面是凸的。M圖 超音速?zèng)_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(qiáng)快速上升一個(gè)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(qiáng)迅速下降，短時(shí)間內(nèi)到達(dá)一個(gè)相應(yīng)的負(fù)壓 Pmin，彈丸飛過后，壓強(qiáng)突然相互抵消，恢復(fù)正常值 P0 因此，整個(gè)過程沖擊波信號(hào)波形成“N”形狀，示意圖如圖 。清華大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文13圖 “N”形波的形成根據(jù)圖 和圖 ，P max 與周圍正常壓強(qiáng) P0 比為： ()128max304().5(pmisdMl????式中， 為子彈的口徑， 為子彈的長(zhǎng)度，M 是馬赫數(shù)， 為麥克風(fēng)到彈道的距離。pdpl mis“N”波持續(xù)時(shí)間 T 為： 14328()????（）式 和式 在遠(yuǎn)場(chǎng)情況下非常有效，由式 和式 ，沖擊波信號(hào)峰值壓強(qiáng) Pmax和持續(xù)時(shí)間 T 的比值為： ???? 膛口激波步槍射擊時(shí)，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(dāng)子彈出膛后，噴出槍口的氣流形成了膛口激波，以聲速?gòu)臉尶谙蛩闹軅鞑?。膛口激波信?hào)近似為球面波，如圖 所示；隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度遭到嚴(yán)重衰減；同時(shí)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(xué) 2022 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(fēng)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(fēng)方向。當(dāng)射擊者與麥克風(fēng)之間存在建筑等障礙物時(shí)，膛口激波就會(huì)被遮擋；同時(shí)射擊者也可以裝備消聲設(shè)備來削弱膛口激波，因此膛口激波不是一個(gè)非常穩(wěn)健的信號(hào)。膛口激波與沖擊波不同，其信號(hào)強(qiáng)度較弱，頻率低。在沖擊波信號(hào)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(fēng)遠(yuǎn)離射擊者的時(shí)候。因此，膛口激波在檢測(cè)之前要進(jìn)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(shí)提高膛口激波信號(hào)的信噪比，以便有利于信號(hào)的檢測(cè)。膛口激波信號(hào)本身強(qiáng)度較弱，但它有著自身的特點(diǎn)。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(hào)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(duì)膛口激波的干擾。圖 膛口激波時(shí)域模型清華大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文15未經(jīng)過處理的膛口激波時(shí)域波形圖如圖 。根據(jù)模型圖對(duì)膛口激波的時(shí)域特征參數(shù)進(jìn)行分析，獲取的特征參數(shù)如下：(1) 膛口激波的持續(xù)時(shí)間 Tm，即點(diǎn) A~點(diǎn) E 持續(xù)時(shí)間。(2) 正峰上升持續(xù)時(shí)間 Tmr，即點(diǎn) A~點(diǎn) B 持續(xù)時(shí)間。(3) 正峰持續(xù)時(shí)間 Tm1，即點(diǎn) A~點(diǎn) C 經(jīng)歷的時(shí)間。(4) 負(fù)峰持續(xù)時(shí)間 Tm2，即點(diǎn) C~點(diǎn) E 持續(xù)時(shí)間。(5) 正壓峰值到負(fù)壓峰值的持續(xù)時(shí)間 Tm3，即點(diǎn) B~點(diǎn) D 持續(xù)時(shí)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，T m 持續(xù)時(shí)間內(nèi)的信號(hào)功率，即： 。21()mTnPx??(9) 膛口激波正峰值 Tm1 時(shí)間內(nèi)的功率 Pm1： 。121()mTnx?(10) 膛口激波正峰值 Tm2 時(shí)間內(nèi)的功率 Pm2： 。221()mTn?(11) 膛口激波正峰值 Tm3 時(shí)間內(nèi)的功率 Pm3： 。3231()mTnx??(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(shí)間內(nèi)壓力上升的大小。R UP=(PmaxPA)/ Tmr，其中 PA 為點(diǎn) A 的壓強(qiáng)。上述的 Em 與檢測(cè)環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)幀能量 Ed 是有不同的意義的。E d 是信號(hào)經(jīng)濾波處理后的能量，是為了檢測(cè)該數(shù)據(jù)中是否含有可能的膛口激波信號(hào)；而 Pm，P m1， Pm2，P m3 是未經(jīng)過濾波處理的信號(hào)功率，是過門限檢測(cè)后進(jìn)一步對(duì)信號(hào)的能量進(jìn)行分析，是待識(shí)別信號(hào)的原始特征。 [6] 本章小結(jié) 本章從聲的相關(guān)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(duì)聲波的影響等相關(guān)理論，接下來針對(duì)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(hào)源模型。清華大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文16第三章 聲定位原理利用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出的噪聲來確定目標(biāo)的位置，是被動(dòng)聲探測(cè)系統(tǒng)測(cè)定目標(biāo)位置的關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)以被動(dòng)方式測(cè)出目標(biāo)聲音的參數(shù)，利用聲程差和傳聲器陣列的幾何關(guān)系來確定目標(biāo)方向和距離。在聲測(cè)定位系統(tǒng)中,如何有效地提高定位精度是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。聲測(cè)陣列和時(shí)延估計(jì)算法的選擇是影響定位精度的主要因素,因而對(duì)聲測(cè)陣列和時(shí)延估計(jì)算法的研究成為當(dāng)前的關(guān)鍵技術(shù)。 聲測(cè)陣列聲測(cè)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(jiǎn)單，應(yīng)用也很廣泛，艦艇的聲納系統(tǒng)常用線陣。對(duì)于固定式陣列來說，線陣只能對(duì)陣列所在直線為界的半個(gè)平面進(jìn)行定位，否則沒有唯一解。面陣可以在整個(gè)平面對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，也可以對(duì)陣列所在平面為界的半個(gè)空間進(jìn)行定位。立體陣則可以對(duì)整個(gè)空間定位，但其算法要復(fù)雜得多。由于聲定位系統(tǒng)布置于地面，目標(biāo)為低空，超低空飛行目標(biāo)，因此采用平面陣是可行的。對(duì)線陣進(jìn)行組合，構(gòu)成面陣，就可以對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)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(gè)好的陣形在被動(dòng)聲定位中有著重要的作用。三維空間中的定位有三個(gè)自由度，對(duì)應(yīng)要有三個(gè)獨(dú)立的時(shí)延才能得到目標(biāo)位置，那么至少需要四個(gè)傳感器才能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的定位?，F(xiàn)使用的試驗(yàn)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(duì)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(jì))，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(duì)十字形聲傳感器陣列，可建立如圖 所示的直角坐標(biāo)系。四個(gè)陣元的坐標(biāo)分別為 S1(D/2，0，0)，S 2(0，D/2，0)，S 3 (D/2，0，0)，S 4 (0，D/2 ，0)，設(shè)目標(biāo)聲源的直角坐標(biāo)為(x，y，z )、球坐標(biāo)為 (r，? ，?)，即目標(biāo)到坐標(biāo)原點(diǎn)的方位角為?，俯仰角為? ,D 為十字陣對(duì)角線陣元之間的距離。清華大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文17xzyS1S2S3S4??假設(shè)目標(biāo)為點(diǎn)聲源，目標(biāo)產(chǎn)生的聲源以球面波的形式向外傳播，聲源到達(dá)陣元S 1的傳播時(shí)間為t 1，相對(duì)于S 1聲源到達(dá)陣元S 2，S 3，S 4的時(shí)延分別為? ??、? ??、? ??。目標(biāo)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為R，俯仰角為? ( 0 ? 90176。)，方位角為? ( 0 ? 360176。)與時(shí)延?????、? ??、? ??及陣元間距D的關(guān)系式可推導(dǎo)如下：(設(shè) C為聲速)(xD/2)2+y2+z2=(Ct1)2x2+(yD/2)2+z2=(Ct1+C?????(x+D/2)2+y2+z2=(Ct1+C?13)2x2+(y+D/2)2+z2=(Ct1+C?14)2球坐標(biāo)和直角坐標(biāo)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(biāo)、方位角和俯仰角信息 [8] 時(shí)延估計(jì)算法 時(shí)延估計(jì)概述所謂時(shí)間延遲，簡(jiǎn)稱時(shí)延，是指在陣列被動(dòng)定位中，不同接收器所接收到的信號(hào)的同波陣面之間存在的時(shí)間差。它是由于信號(hào)傳輸距離不同而引起的。時(shí)間延遲估計(jì)是指利用參數(shù)估計(jì)和信號(hào)處理的理論和方法，對(duì)上述時(shí)間延遲進(jìn)行估計(jì)，并由此進(jìn)一步確定其它有關(guān)參量，例如信源目標(biāo)的距離、方位、運(yùn)動(dòng)方向和速度等。基陣通過檢測(cè)各陣元接收信號(hào)問的時(shí)延，并根據(jù)聲陣的幾何關(guān)系來確定目標(biāo)的空間位置。因而，圖 十字陣陣圖及定位圖清華大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文18時(shí)延估計(jì)是影響目標(biāo)定位精度的關(guān)鍵性技術(shù)之一。 常用的時(shí)延估計(jì)算法常用的時(shí)延估計(jì)算法有互相關(guān)法、廣義互相關(guān)法、相位譜法、參量模型法、高階統(tǒng)計(jì)量法及自適應(yīng)濾波法等?；ハ嚓P(guān)法是通過計(jì)算兩路信號(hào)的互相關(guān)，互相關(guān)最大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置即為兩路信號(hào)的時(shí)延?；ハ嚓P(guān)法計(jì)算量小，硬件要求低，缺點(diǎn)是時(shí)延估計(jì)的穩(wěn)定性、可靠性和精度易受環(huán)境的影響，易造成相關(guān)函數(shù)的模糊性，出現(xiàn)模糊的相關(guān)峰或偽峰，時(shí)延估計(jì)精度較差，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡(jiǎn)捷速度快。適用條件是聲傳感器間距較小、信噪比高。廣義互相關(guān)法則是先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波處理，之后求取相關(guān)函數(shù)。利用此方法進(jìn)行時(shí)延估計(jì)時(shí)，濾波加權(quán)函數(shù)的選取對(duì)時(shí)延估計(jì)的精度有重要的影響。該方法計(jì)算量中等，硬件要求較高。缺點(diǎn)是權(quán)函數(shù)的選擇恰當(dāng)與否對(duì)時(shí)延估計(jì)精度具有較大影響，對(duì)于功率譜隨頻率變化很大的信號(hào)引起的時(shí)延估計(jì)誤差較大，且依賴于信號(hào)及噪聲的先驗(yàn)信息，這在實(shí)際過程中往往難以獲得，只能用它們的估值來代替，也影響了一定的估計(jì)效果。優(yōu)點(diǎn)是具有一定的抗干擾能力和較高的時(shí)延估計(jì)精度，一定程度上適于實(shí)時(shí)處理。適用條件是功率譜隨時(shí)間變化平穩(wěn)，聲傳感器間距較小，信噪比適中。相位譜法是通過對(duì)兩路信號(hào)求互功率譜，并通過測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)互功率譜相位的斜率，根據(jù)相位與時(shí)延的近似線性關(guān)系來確定兩路信號(hào)的時(shí)延，并采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以減少時(shí)延估計(jì)誤差。相位譜法計(jì)算量大，硬件要求一般，缺點(diǎn)是只有提高時(shí)延估計(jì)的采樣頻率和延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間才能提高時(shí)延估計(jì)的精度，但這將大幅度加大運(yùn)算量，不便于實(shí)時(shí)性要求，優(yōu)點(diǎn)是精度方面比互相關(guān)法要高。適用條件是聲傳感器間距較小、信噪比高，且相位和時(shí)延有近似的線性關(guān)系。參量模型法是一種實(shí)現(xiàn)高精度、連續(xù)可變數(shù)字時(shí)延估計(jì)的方法，該方法利用 FIR數(shù)字濾波器的線性相位關(guān)系，通過調(diào)節(jié)權(quán)函數(shù)，連續(xù)改變信號(hào)時(shí)延，進(jìn)而得到時(shí)延的精確估計(jì)。用參量模型法進(jìn)行對(duì)延估計(jì)，時(shí)延可通過一個(gè)有限脈沖響應(yīng)函數(shù)濾波器表示，這樣時(shí)延估計(jì)便轉(zhuǎn)化為對(duì)濾