基于声源定位的靶标测量技术研究

摘要

弹丸以超音速的速度在空中飞行时，会产生与速度方向垂直传播的激波，可利用声传感器阵列接收这个激波，通过阵列信号处理对弹丸进行定位，这种基于激波测量的弹丸定位技术具有结构简单、定位精度高、成本低等优点。在武器射击的靶标测量系统中，弹着点的精确定位以及弹道的准确估计对鉴定武器的性能、矫正射击过程，提高训练水平具有十分重要的意义。本文针对航炮、步枪射击等战术训练中脱靶测量的实际需求，研究基于激波声源定位的靶标测量技术。
　　本文主要介绍了弹丸激波产生的机理、激波的特性，基于时延估计、高分辨率谱估计等多种声源定位技术；仿真分析了信噪比、阵元个数、弹丸入射角度等多种因素对MUSIC算法定位性能影响，以及广义互相关法中不同加权函数在不同信噪比情况下的性能；分析了五元L型阵、四元平面阵和五元平面阵二维阵列模型，以及四元立体阵和五元立体阵三维阵列模型，推导了其定位公式，并对阵元间距、弹丸相对阵列距离等因素进行了计算机仿真分析；重点针对五元平面阵二维阵列模型，推导了弹丸相对阵列距离、入射角度的误差公式，仿真分析了时延测量误差、弹丸入射角度和弹丸相对阵列距离对定位精度的影响；针对具有较高定位精度的五元L型阵，提出了一种双五元L型阵列模型，分析了弹丸垂直入射和斜入射传感器阵面的两种模型，推导了弹丸定位及其在靶标落点的线性外推公式，仿真分析了弹丸相对传感器阵列距离、入射角度、以及阵元间距、阵面间距等对该阵列模型定位精度的影响，弹丸相对传感器阵列距离越近、入射角度越小、阵元间距越大、两传感器阵面间距越大、传感器阵面与靶面间距越小，双五元L型阵列的定位精度越高；
　　仿真实验结果表明，增加阵元个数、提高信噪比等能够在很大程度上提高MUSIC算法的定位性能；基于时延估计的算法中基本互相关法和PHAT加权函数的性能最好；五元L型二维阵列模型和四元立体阵三维阵列模型对静止声源的定位精度最高，对于五元平面阵，阵元间距越大、弹丸相对阵列距离越近、俯仰角越小，阵列的定位精度越高；对于双五元L型阵列模型，弹丸入射角度、相对于阵列的距离、阵元间距、阵面间距等因素对弹丸定位精度有较大影响。

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第一章 绪论

1.2研究现状及发展趋势

1.3 本文的主要工作

第二章 声源定位算法的理论基础

2.1激波信号模型

2.2基于可控波束形成的定位技术

2.3基于高分辨率谱子空间的声源定位技术

2.4时延估计理论

2.5广义互相关法中加权函数性能实验分析

2.6本章小结

第三章 阵列模型及定位方法

3.2传感器阵列定位的基本原理

3.3四元平面阵

3.4五元平面阵

3.5五元L型阵

3.6四元立体阵

3.7五元立体阵

3.8本章小结

第四章 定位误差理论及仿真分析

4.2四元平面阵仿真

4.3五元平面阵仿真

4.4五元L型阵列仿真

4.5四元立体阵仿真

4.6五元立体阵仿真

4.7五种阵列性能对比

4.8误差分析

4.9本章小结

第五章 双五元L型阵列模型

5.2垂直入射传感器阵面模型

5.3斜入射传感器阵面模型

5.4五元L型阵面方程组求解

5.5弹丸相对阵列距离对定位误差的分析

5.6弹丸入射角度对定位误差的分析

5.7本章小结

第六章 总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

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