基于五元十字阵空中炸点位置测量系统研究

摘要

近年来，近地面空中炸点位置的测量逐渐成为一个热门研究方向。在新武器系统的研制中，炮弹在打击目标上方的炸点位置是评价武器性能好坏的重要评判标准。一般情况下，靶场测试环境复杂多变，炸点类型多种多样，导致炸点的位置难以测量。电视经纬仪系统具有视场小的特点，目前已成为用来测量炸点位置的主要方法。该系统分辨率高，测量范围广，但同时存在许多缺点，例如仪器造价高，操作系统复杂等，使其尚未得到普及。因此有必要从降低成本，提高实用性等角度出发，研究一种新型的探测系统。
　　被动声探测技术涵盖了诸多学科，是定位系统应用中的一项新技术，现实中，声场环境复杂多变，且声音信号较为特殊。本论文结合实际情况，针对于近地面空中炸点位置测量，为了降低硬件成本，同时达到提高位置测量精度的目的，研究并设计了一套五元十字阵声探测器空中炸点位置测量系统，对声传感器阵列的几何模型和定位算法进行了数学推导，并对引起位置测量误差的声传感器排列间距、目标方位角等因素进行了分析与仿真。
　　论文首先对声场及声波特性进行介绍，分析了环境因素对声波传播产生的影响。研究了影响测量系统精度的关键因素时延估计算法，对常见算法的优缺点进行了对比，研究了五元十字阵声传感器阵列的几何模型及数学公式推导。根据测量系统要求设计了硬件部分，包括声传感器的介绍和选取，声音信号调理电路和以单片机为控制核心的计时模块设计，并对整个电路进行了测试。最后在室内与室外分别搭建实验平台进行系统验证，对引起实验误差的内部及外部因素进行了分析。
　　实验及仿真结果表明，本文提出的基于五元十字阵空中炸点位置测量系统简单、成本低，提高了空中炸点的测距与测向精度，这一研究结果为声定位技术的应用打下了基础，具有实际意义。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景及意义

1．3 研究现状和发展趋势

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状和发展趋势

1．4 基于声传感器阵列的目标位置测量算法研究

1．4．1 可控波束形成定位法

1．4．2 谱估计定位法

1．4．3 声压幅度比定位法

1．4．4 基于时延估计定位法

1．5 论文主要研究内容

2 声场及声波特性分析

2．1 引言

2．2 声音传播规律

2．2．1 描述声波特性的物理量

2．2．2 声波的衰减、反射和折射

2．3 声波的传播模型

2．4 环境对声波的影响

2．4．1 声音传播受温度影响

2．4．2 声音传播受风力影响

2．5 声波中的能量

2．5．1 能量密度

2．5．2 能流声强

2．6 本章小结

3 空中炸点位置测量算法及原理

3．1 时延估计算法

3．1．1 基于互相关分析的时延估计算法

3．1．2 最小均方自适应(LMS)时延估计算法

3．1．3 强混响条件下的时延估计算法

3．1．4 时延估计算法比较

3．2 声定位原理

3．3 声定位算法阵列

3．4 基于短基线的三点阵的平面目标位置测量算法

3．5 基于短基线的空间定位算法

3．5．1 五元等腰三角形阵列定位算法

3．5．2 五元十字阵定位算法

3．6 本章小结

4 五元十字阵测量系统设计

4．1 硬件系统组成

4．2 声传感器的选型

4．2．1 声传感器的分类

4．2．2 声传感器的主要性能指标

4．3 信号前置调理电路

4．3．1 信号放大电路

4．3．2 滤波电路

4．3．3 整形电路

4．3．4 比较电路

4．4 定时与计时系统设计

4．4．1 基于时间的定位

4．4．2 单片机控制流程与硬件电路

4．5 本章小结

5 实验数据处理及误差分析

5．1 室内实验及分析

5．1．1 硬件电路调试

5．1．2 室内系统测试

5．2 五元十字阵测量系统室外实验分析

5．2．1 炸点位置1实验数据分析

5．2．2 炸点位置2实验数据分析

5．3 实验误差分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

参考文献

致谢

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