聲探測技術(shù)在反狙擊系統中的應用

摘要：為了更有效地打擊狙擊手，降低狙擊手的威脅和傷亡率，設計了狙擊手聲探測定位系統。系統由4個(gè)成立體正
方形的聲傳感品陣列、多通道聲信號同步采集器和TMS320高速信號處理器及實(shí)時(shí)顯示部分構成。采用基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計方法進(jìn)行時(shí)延估計，避免了信號和噪聲先驗知識難以獲知的缺點(diǎn)和信號平穩性的約束，保證了空間定位的準確性。最后經(jīng)仿真驗證了該方法的有效性。
關(guān)鍵詞：聲探測；反狙擊；時(shí)延估計；定位算法

O 引 言
對付狙擊手一直以來(lái)都沒(méi)有很好的技術(shù)手段，一般采用“以毒攻毒”，即以己方的狙擊手對付敵方的狙擊手的方式。然而這種方式存在著(zhù)太多的不確定性，不能確保發(fā)現敵方的狙擊手，因此不適于不容有失的安全保衛行動(dòng)。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，很多國家開(kāi)發(fā)出狙擊手探測系統，主要有聲探測系統、紅外探測系統和激光探測系統。這些系統或以被動(dòng)方式測定射擊彈道、確定狙擊手位置，或以主動(dòng)方式發(fā)現潛伏的狙擊手，在一定程度上緩解了狙擊手的威脅。
紅外反狙擊手探測系統通過(guò)探測槍口閃光和飛行彈丸的紅外信號，來(lái)確定敵方狙擊手的位置。紅外探測器可以探測子彈出膛時(shí)的閃光，發(fā)現1 km距離內視線(xiàn)不被阻斷的目標。激光反狙擊手探測系統利用的是“貓眼”效應，貓眼在黑暗中發(fā)光，是由于貓的視網(wǎng)膜比身體其他部位的反射能力強。同樣，即狙擊手的瞄準望遠鏡也比周?chē)尘暗姆瓷淠芰?，當不可?jiàn)光波段的激光束照射到其表面時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生狙擊手不易察覺(jué)而激光探測系統能夠檢測到的較強反光，從而發(fā)現狙擊手。狙擊手聲探測定位系統(如圖1)通過(guò)布置一系列聲傳感器，通過(guò)精確測定槍口激波和彈丸飛行激波到達每個(gè)傳感器的時(shí)間差，可以精確計算出射擊位置，以及彈丸飛行彈道、飛行速度和槍械口徑。
在國外，聲信號探測是價(jià)格最低廉、測定最精確、使用最廣泛的狙擊手探測系統，而國內在這方面的研究還比較少?，F以聲探測技術(shù)在反狙擊系統中的應用為目的，對該系統的組成及定位方法進(jìn)行研究。

1 系統的組成
圖2為被動(dòng)聲定位系統的硬件部分。系統將采集到的聲信號送入數字信號處理器，通過(guò)時(shí)延估計和定位算法實(shí)現對目標的定位。

(1)傳聲器是智能雷彈系統的耳朵，它通過(guò)其敏感元件把聲信號轉換成電信號，再經(jīng)過(guò)前置精密放大電路后以電壓形式輸出。其質(zhì)量和性能直接影響到系統的精度和能否正確反映被測信號的全部信息。本系統采用的是駐極體式電容傳聲器。
(2)因為聲源的位置不同，到達接收器的信號幅度強弱不同，因此選用數控放大電路。
(3)信號采集電路的分辨率和采樣率是影響時(shí)延估計精度的重要因素，因此，采集電路的設計必須采用高分辨率，高采樣率的數據采集系統。
(4)DSP是信號處理的核心，處理速度影響整個(gè)反狙擊系統的反應速度，所以在成本允許的情況下，應選用處理能力越強、運算速度越快的DSP。本系統采用TI公司的TMS320C6711浮點(diǎn)型DSP芯片，其指令周期為6．7 ns。
(5)由于DSP直接接口需要DSP插入大量的等待周期，會(huì )導致實(shí)時(shí)顯示與高速顯示存在難以調和的矛盾，影響了通用方便性。鑒于此，用一片單片機來(lái)實(shí)現顯示功能，DSP只要往外部存儲器里寫(xiě)進(jìn)數據，單片機根據讀出的信息看是否顯示，這樣方便了編制程序以顯示DSP的運行狀態(tài)，克服了上述矛盾。
(6)由于測量精度的原因(假設目標距離為100 m，如果測出的角度有O．1°的誤差，則子彈擊中的目標距實(shí)際聲源將有0．17 m的誤差)及怕誤傷到別人，因此本系統中未包含狙槍自動(dòng)反擊部分，而只是對目標方位進(jìn)行檢測和顯示，人為進(jìn)行反擊。

2 系統定位原理及算法
2．1 基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計
廣義相關(guān)法是在估計接收信號的相關(guān)函數之前，首先對其進(jìn)行預濾波，即等效于頻域的加權處理，以對信號和噪聲進(jìn)行白化處理，增強信號中信噪比較高的頻率部分，抑制噪聲功率，從而獲得更好的時(shí)延估計精度。廣義相關(guān)的權函數一般有4種，它們都需要信號和噪聲的先驗知識，而在實(shí)際應用中并不都知道信號和噪聲的先驗知識，特別是不知道噪聲的先驗知識。同時(shí)它仍沒(méi)能取消信號必須是平穩的這個(gè)假設條件。這就限制了時(shí)延估計的應用，降低了時(shí)延估計的精度。為此本文將小波分析引入相關(guān)時(shí)延估計方法中來(lái)克服上述缺點(diǎn)。
小波分析是把時(shí)域分析的頻率域表征為尺度域，即用聯(lián)合的時(shí)間和尺度平面來(lái)描述信號，由于小波的多分辨分析和小波包的多層分解，使它同時(shí)兼顧了短時(shí)傅里葉變換和時(shí)頻分析的特點(diǎn)，故在處理非平穩信號中有一定的優(yōu)勢，由相關(guān)理論知：x(t)與ψa(t)的相關(guān)為：

借鑒廣義相關(guān)時(shí)延估計理論的加權法，在此用基小波在不同尺度下的頻譜ψ*(aω)對相關(guān)譜密度函數Gx1x2(ω)進(jìn)行加權，從而得到了基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計。

這就是說(shuō)，在相關(guān)前，利用小波分別對信號x1(t)和x2(t)進(jìn)行濾波。因為小波加權相對經(jīng)典加權不需要信號和噪聲的先驗知識，這也可說(shuō)在x1(t)和x2(t)相關(guān)后再用小波變換處理其相關(guān)函數Rx1x2(τ)。