基于无线传感网络的地下金属物体的探测与定位技术研究

摘要

在兵器试验场上，需要对发射后的炮弹回收，以便对实验数据做分析研究，弹丸的回收处理均需要确定弹着点的位置。当前对弹着点的定位尚无有效的方法，因此对弹着点的探测与定位技术的研究就显得非常必要。
　　炮弹在落地瞬间对地面的冲击产生了地震波。在爆炸点周围布置多个传感器节点，接收地震动信号，通过对接收到的震动信号分析处理，可以推断出弹丸的落点位置，从而实现定位。
　　无线传感网络由于其自组织、可快速部署、高容错、隐蔽性等诸多优点在军事、环境、医疗等各个领域都有广泛的应用。本课题通过在定位系统中引入无线网络技术，实现定位数据的无线传输。本文主要研究内容包括以下几点:
　　分析了地震波的传播特性，并深入研究了基于地震波信号的探测与定位技术的原理及方法，基于TDOA定位原理完成了系统总体方案的设计。
　　根据系统总体设计方案，确定了系统的总体硬件架构，完成了以STM32F103为核心处理器的信号采集处理电路的设计和以JN5148无线模块为核心的无线传感网络节点电路的设计。使用Keil uVision4和CodeBlocks软件开发环境完成了相关软件的设计。
　　在上述研究的基础上，组建了弹丸落点定位模拟试验系统，并对地震动信号调理电路、时间同步电路的同步性能进行了测试。确定了地震检波器的有效探测范围，利用人工模拟震动信号，采用单基阵模型和TDOA定位算法获得了落点的位置。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 基于无线传感网络的目标探测与定位系统发展概况

1．3 主要内容安排

2 探测与定位技术理论基础

2．1 地震波信号的特性分析

2．1．1 地震波的产生及分类

2．1．2 地震波的传播特性

2．1．3 弹着点地震波的传播

2．2 基于地震波的定位算法研究

2．2．1 初至波的提取

2．2．2 基于TDOA的定位原理

2．3 本章小结

3 系统总体方案设计

3．1 系统总体方案设计

3．2 时间同步系统方案设计

3．2．1 基本时间同步方法

3．2．2 GPS授时技术

3．2．3 GPS授时模块接口电路设计

3．3 地震波信号调理系统方案设计

3．4 信号传输系统方案设计

3．4．1 无线传感器网络系统结构

3．4．2 无线传感器网络拓扑结构

3．4．3 无线模块硬件接口电路设计

3．5 系统软件开发环境介绍

3．6 本章小结

4 系统硬件电路设计

4．1 系统硬件电路总体设计

4．2 STM32F103ZET6最小系统电路设计

4．2．1 STM32F103ZET6芯片介绍

4．2．2 最小系统电路设计

4．3 时间同步电路设计

4．3．1 GPS授时模块选择

4．3．2 GPS授时电路设计

4．4 地震波信号调理电路设计

4．4．1 传感器选型

4．4．2 信号放大电路设计

4．4．3 滤波电路设计

4．4．4 A／D转换电路设计

4．5 数据传输部分电路设计

4．5．1 JN5148模块

4．5．2 JN5148电源电路设计

4．5．3 JN5148模块电路设计

4．6 本章小结

5 震动信号采集系统软件设计

5．1 系统软件总体设计

5．2 ZigBee网络的设计与实现

5．2．1 无线传感器网络的设计

5．2．2 ZigBee星型网络的设计

5．2．3 ZigBee无线网络的实现

5．3 信号采集系统软件设计

5．3．1 信号采集系统主程序设计

5．3．2 GPS信息提取程序设计

5．3．3 A／D转换程序设计

5．3．4 串口通信程序设计

5．4 本章小结

6 基于地震波的定位算法实现与模拟实验研究

6．1 基于初至波定位算法的实现

6．1．1 能量比方法的实现

6．1．2 弹着点定位算法的实现

6．2 系统同步性能测试

6．2．1 时间同步性测试

6．2．2 信号采集板的同步性试验

6．3 地震动波速的测算

6．4 地震检波器有效探测范围测试

6．5 本章小结

7 系统测试结果及分析

7．1 无线模块通信实验及结果分析

7．2 定位系统实验及结果分析

7．2．1 定位系统试验验证

7．2．2 定位系统误差分析

7．3 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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