聲探測技術(shù)在反狙擊系統(tǒng)中的應(yīng)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(shè)計(jì)了狙擊手聲探測定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由4個(gè)成立體正
方形的聲傳感品陣列、多通道聲信號(hào)同步采集器和TMS320高速信號(hào)處理器及實(shí)時(shí)顯示部分構(gòu)成。采用基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，避免了信號(hào)和噪聲先驗(yàn)知識(shí)難以獲知的缺點(diǎn)和信號(hào)平穩(wěn)性的約束，保證了空間定位的準(zhǔn)確性。最后經(jīng)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。
關(guān)鍵詞：聲探測；反狙擊；時(shí)延估計(jì)；定位算法

O 引 言
對(duì)付狙擊手一直以來都沒有很好的技術(shù)手段，一般采用“以毒攻毒”，即以己方的狙擊手對(duì)付敵方的狙擊手的方式。然而這種方式存在著太多的不確定性，不能確保發(fā)現(xiàn)敵方的狙擊手，因此不適于不容有失的安全保衛(wèi)行動(dòng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，很多國家開發(fā)出狙擊手探測系統(tǒng)，主要有聲探測系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)和激光探測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)通過探測槍口閃光和飛行彈丸的紅外信號(hào)，來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(xiàn)1 km距離內(nèi)視線不被阻斷的目標(biāo)。激光反狙擊手探測系統(tǒng)利用的是“貓眼”效應(yīng)，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(qiáng)。同樣，即狙擊手的瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡也比周圍背景的反射能力強(qiáng)，當(dāng)不可見光波段的激光束照射到其表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生狙擊手不易察覺而激光探測系統(tǒng)能夠檢測到的較強(qiáng)反光，從而發(fā)現(xiàn)狙擊手。狙擊手聲探測定位系統(tǒng)(如圖1)通過布置一系列聲傳感器，通過精確測定槍口激波和彈丸飛行激波到達(dá)每個(gè)傳感器的時(shí)間差，可以精確計(jì)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(hào)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(tǒng)，而國內(nèi)在這方面的研究還比較少。現(xiàn)以聲探測技術(shù)在反狙擊系統(tǒng)中的應(yīng)用為目的，對(duì)該系統(tǒng)的組成及定位方法進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)的組成
圖2為被動(dòng)聲定位系統(tǒng)的硬件部分。系統(tǒng)將采集到的聲信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理器，通過時(shí)延估計(jì)和定位算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。

(1)傳聲器是智能雷彈系統(tǒng)的耳朵，它通過其敏感元件把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過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(tǒng)的精度和能否正確反映被測信號(hào)的全部信息。本系統(tǒng)采用的是駐極體式電容傳聲器。
(2)因?yàn)槁曉吹奈恢貌煌?，到達(dá)接收器的信號(hào)幅度強(qiáng)弱不同，因此選用數(shù)控放大電路。
(3)信號(hào)采集電路的分辨率和采樣率是影響時(shí)延估計(jì)精度的重要因素，因此，采集電路的設(shè)計(jì)必須采用高分辨率，高采樣率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
(4)DSP是信號(hào)處理的核心，處理速度影響整個(gè)反狙擊系統(tǒng)的反應(yīng)速度，所以在成本允許的情況下，應(yīng)選用處理能力越強(qiáng)、運(yùn)算速度越快的DSP。本系統(tǒng)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(dǎo)致實(shí)時(shí)顯示與高速顯示存在難以調(diào)和的矛盾，影響了通用方便性。鑒于此，用一片單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)顯示功能，DSP只要往外部存儲(chǔ)器里寫進(jìn)數(shù)據(jù)，單片機(jī)根據(jù)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(yùn)行狀態(tài)，克服了上述矛盾。
(6)由于測量精度的原因(假設(shè)目標(biāo)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(biāo)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(tǒng)中未包含狙槍自動(dòng)反擊部分，而只是對(duì)目標(biāo)方位進(jìn)行檢測和顯示，人為進(jìn)行反擊。

2 系統(tǒng)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(jì)
廣義相關(guān)法是在估計(jì)接收信號(hào)的相關(guān)函數(shù)之前，首先對(duì)其進(jìn)行預(yù)濾波，即等效于頻域的加權(quán)處理，以對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行白化處理，增強(qiáng)信號(hào)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(jì)精度。廣義相關(guān)的權(quán)函數(shù)一般有4種，它們都需要信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)知識(shí)，而在實(shí)際應(yīng)用中并不都知道信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)知識(shí)，特別是不知道噪聲的先驗(yàn)知識(shí)。同時(shí)它仍沒能取消信號(hào)必須是平穩(wěn)的這個(gè)假設(shè)條件。這就限制了時(shí)延估計(jì)的應(yīng)用，降低了時(shí)延估計(jì)的精度。為此本文將小波分析引入相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法中來克服上述缺點(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)間和尺度平面來描述信號(hào)，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(wěn)信號(hào)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(jì)理論的加權(quán)法，在此用基小波在不同尺度下的頻譜ψ*(aω)對(duì)相關(guān)譜密度函數(shù)Gx1x2(ω)進(jìn)行加權(quán)，從而得到了基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)。

這就是說，在相關(guān)前，利用小波分別對(duì)信號(hào)x1(t)和x2(t)進(jìn)行濾波。因?yàn)樾〔訖?quán)相對(duì)經(jīng)典加權(quán)不需要信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)知識(shí)，這也可說在x1(t)和x2(t)相關(guān)后再用小波變換處理其相關(guān)函數(shù)Rx1x2(τ)。