專利名稱：用于消歧槍械位置的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及法律實施技術(shù)和安全，更具體地說，涉及確定超音速射彈運行的起點 及方向的方法和系統(tǒng)。甚至在槍械和傳感器之間的距離很大，并在沒有接收到信號或僅接 收到來自槍口聲音的微弱信號時，這些方法和系統(tǒng)都能夠確定和消歧(disambiguate)槍 械位置。
背景技術(shù)：
通過測量與射彈所產(chǎn)生的沖擊波相關(guān)聯(lián)的參數(shù)可確定超音速射彈如子彈和炮彈 的一般方向和彈道的系統(tǒng)和方法已為人所知。在美國專利No. 5，241, 518中說明的一個這 種系統(tǒng)包含至少三個間隔開的傳感器，每個傳感器結(jié)合有布置成平面的三個聲換能器。傳 感器對沖擊波作出響應(yīng)產(chǎn)生信號，而沖擊波則與其起點的方位角和仰角有關(guān)。沖擊波僅有 的測量不能確定傳感器和沖擊波起點之間的距離。距離信息通常是從槍口火焰或槍口爆炸 獲得的。槍械相對于傳感器位置的方位角和仰角通常是通過測量每個傳感器上槍口信號 和沖擊波信號的到達時間(TOA)信息來確定的。每個傳感器在不同時間碰撞到這些信號， 并對槍口和沖擊波壓力作出響應(yīng)產(chǎn)生信號。對來自各傳感器的信號進行處理，可確定從傳 感器到槍口和沖擊波起點的方向(方位角和仰角)，繼而射彈的彈道就可確定。常規(guī)系統(tǒng)采用擴音器，它們可間隔得相對很近(例如相隔1米)或分散很開(例 如安裝在汽車上或在戰(zhàn)場上由戰(zhàn)士攜帶)，并在它們各自的位置上全方向地測量槍口和沖 擊波壓力。但是，除非傳感器相對分散很開和/或彈道位于天線之內(nèi)，否則要獲得精確的沖 擊波僅有的解所需的定時精度非常高，并且需要有特殊的技術(shù)。大天線尺寸例如在車載系統(tǒng)中可能是個主要的缺點。此外，僅有邊際時間分辨率 的系統(tǒng)會產(chǎn)生歧義解，其中對于兩個鏡像對稱的槍械位置，在給定傳感器組上的沖擊波的 到達時間信息幾乎相同。常規(guī)算法要求至少4次沖擊波和槍口檢測，以使4 X 4矩陣可以被轉(zhuǎn)化為映射沖擊 波TOA上的平面波。在沖擊和槍口 TOA確定中的小誤差會在射程估算中產(chǎn)生相當大的誤 差。而且，常規(guī)算法假設(shè)沿子彈彈道為恒定的子彈速度，這對于從大于約300米的距離處發(fā) 射的長射程射擊給出了不精確的射程估算。因此，需要有能夠精確估算遠槍械射程的快速收斂算法。也需要消歧槍械方向的 沖擊波僅有的解。還需要提取可能被與槍口爆炸無關(guān)的聲特征標記而模糊不清的槍口信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過在各種實施例中提供用于對于長射程射擊，特別是當槍口信號或是很 弱或是在數(shù)量不夠的檢測通道中檢測時，估算槍械射程的方法和系統(tǒng)，來解決現(xiàn)有技術(shù)中 的缺陷。所公開的方法和系統(tǒng)還改進了沖擊波僅有的槍械彈道解的消歧，通過在優(yōu)化過程 中包含弱和/或不可靠檢測的槍口聲音實現(xiàn)了附加改進。按照本發(fā)明的一個方面，一種從沖擊波僅有的信號中消歧射彈彈道的方法包含以 下步驟在形成天線的5個或更多個間隔開的聲傳感器上測量沖擊波僅有信號的至少初始 部分；估算用于聲傳感器的定時誤差分布；用大于所估算的定時誤差分布的時間分辨率， 從沖擊波僅有信號的所測量初始部分中確定傳感器對的到達時間差(TDOA)；以及基于用 于消歧的所定義置信度和用于聲傳感器TDOA的殘差值，選擇所消歧的射彈彈道。按照本發(fā)明的另一方面，一種從沖擊波僅有的信號中消歧射彈彈道的方法包含以 下步驟在形成天線的5個或更多個間隔開的聲傳感器上測量沖擊波僅有的信號的至少初 始部分；從沖擊波僅有信號的所測量初始部分中確定傳感器對的到達時間差(TDOA)；對于 預(yù)定義的代數(shù)，對初始染色體應(yīng)用遺傳算法，所述初始染色體包括射彈彈道假設(shè)；對于從遺 傳算法中用染色體獲得的解計算殘差；在具有最小殘差的解及其歧義備選解上執(zhí)行梯度搜 索，且如果具有最小殘差的解與其歧義備選解之比大于預(yù)定義值，則指定具有最小殘差的 解作為消歧的射彈彈道。按照本發(fā)明的又一方面，在通過檢測沖擊波和槍口爆炸估算槍械射程的方法中， 測量沖擊波僅有的信號以及槍口爆炸信號。從所測量的沖擊波和槍口爆炸信號中估算初始 槍械射程，假設(shè)一個初始子彈速度和子彈牽引系數(shù)。迭代計算沿子彈彈道的瞬間子彈速度， 以獲得更新的槍械射程。槍口爆炸檢測通道數(shù)通常小于沖擊波檢測通道數(shù)。有利的實施例可包含一個或多個以下特征。計算沖擊波僅有的信號和槍口爆炸信 號之間的到達時間差(TDOA)以及到達角，以確定初始槍械射程。可執(zhí)行一定數(shù)量的迭代， 或者如果在連續(xù)確定的更新槍械射程之間的關(guān)系滿足收斂準則，則更新的槍械射程將被認 為是最終槍械射程。例如，收斂準則可選擇為，在連續(xù)確定的更新槍械射程之間的差或在連 續(xù)確定的更新槍械射程之間的百分比改變小于預(yù)定值。為了獲得真解，所計算的子彈速度 設(shè)置為總是至少為聲速。要檢查解的一致性。例如，如果確定子彈彈道角和到達角大于預(yù) 定值，則更新的槍械射程被認為無效。即使所計算的槍械射程被確定為無效，通過應(yīng)用遺傳算法(GA)仍然可獲得一個 解。例如，可定義一個具有預(yù)定數(shù)量個體的GA初始種群，其中每個個體由三元組表示，它包 含假設(shè)的槍械射程、子彈彈道的脫靶方位角(MA)和脫靶仰角(ME)。對預(yù)定義的代數(shù)執(zhí)行 GA，并對每一代中的個體計算殘差。在每一代中具有最小殘差的解被選為不變異而存活的 個體。具有最小殘差的解被選為更新的槍械射程。這個解可以更精算，即對一代中的每個 三元組執(zhí)行預(yù)定數(shù)量的迭代，以計算修正的槍械射程，其中用修正的槍械射程計算每一代 中個體的殘差。GA包含交叉和變異算子。交叉算子在來自一代中種群的兩個個體之間至少交換脫 靶方位角和脫靶仰角之一，而變異算子包括區(qū)段(field)變異(用隨機選擇的值代替三元組的值)、增量變異(在三元組的所有區(qū)段中引發(fā)小變異)和無變異(保持一代中的個體不 變)。按照本發(fā)明的又一方面，用于從沖擊波信號和從有限數(shù)量的槍口爆炸信號中消歧 射彈彈道的方法包含在5個或更多個間隔開的聲傳感器上測量沖擊波僅有的信號、在最 多4個傳感器上測量槍口爆炸信號、以及從沖擊波僅有的信號中確定傳感器對的到達時間 差(TDOA)信息。該方法還包含用初始種群對預(yù)定義的代數(shù)執(zhí)行遺傳算法，初始種群包含 預(yù)定數(shù)量的個體，每個個體用四元組表示，所述四元組包含槍械方位角、槍械仰角、脫靶方 位角以及脫靶仰角；以及計算每一代中個體的殘差，殘差包含TDOA沖擊波和槍口爆炸信號 組合的最小二乘方擬合。如果具有最小殘差的解與其歧義備選解之比大于預(yù)定義值，例如 至少為2的值，則具有最小計算殘差的解被指定為消歧的射彈彈道。按照本發(fā)明的另一方面，用于在存在沖擊波信號的情況下從槍口波提取信號的方 法包含定義一個時間窗，其寬度對應(yīng)于槍口波穿過傳感器陣列所需的時間；以及檢測沖 擊波信號。檢測沖擊波信號之后，使窗在時間上前進，并作為前進時間的函數(shù)測量在窗中接 收的總能量。所測量的總能量的最大值與槍口信號相關(guān)聯(lián)。為防止偽信號被解釋為沖擊波波形，如果在預(yù)定頻帶上，例如在大約700Hz和 IOkHz之間的頻率上，所測量的沖擊波波形的聲能量小于預(yù)定閾值，則射彈彈道可因為是錯 誤的而被消除。備選或附加的，如果所測量的沖擊波波形具有正值的時間間隔小于最小時 間或大于最大時間，例如小于約70μ s或大于約300 μ s，則射彈彈道可因為是錯誤的而被 消除。在有利的實施例中，可通過在窗上積分所測量的能量來確定總能量，優(yōu)選忽略檢 測信號中由沖擊波回聲所引起的部分。有利的是，峰值信號值可以在產(chǎn)生最大總能量的窗 中確定，而且如果峰值信號值比窗中所測量的總能量大預(yù)定義的比例因子，則峰值信號值 可以被識別為與槍口信號有關(guān)。本發(fā)明的實施例可包含一個或多個以下特征。天線和/或聲傳感器的定時誤差分 布可與天線傳感器的增益變化、采樣變化以及傳感器位置變化有關(guān)。用于消歧的置信度取 決于天線的尺寸，因而較小的天線要求有較大的測量精確度。如果存在兩個歧義解，則基于 兩個歧義解的殘差比來選擇所消歧的射彈彈道。在其它有利的實施例中，傳感器對的到達時間差(TDOA)可這樣確定指定首先碰 撞到?jīng)_擊波的傳感器為參考傳感器，并在參考傳感器上沖擊波僅有信號的例如初始部分的 振幅越過閾值時設(shè)置定時電路的第一鎖存器。第一鎖存器激活用于每個其它傳感器的開始 計數(shù)器，在每個其它傳感器中的計數(shù)器運行，直到對應(yīng)的傳感器碰撞到?jīng)_擊波為止。當其 它傳感器之一碰撞到例如沖擊波僅有信號的初始部分時，它設(shè)置用于該傳感器的第二鎖存 器，其停止用于該傳感器的開始計數(shù)器。其它傳感器相對于參考傳感器的TDOA值然后被記 錄下來。本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點從對優(yōu)選實施例的以下說明以及從權(quán)利要求書中便可
一目了然。


通過以下說明性說明書并參閱附圖，對本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點就可有更充分的理解，附圖中元件用相同的參考符號標記，且不一定按比例。圖1示出與天線相交的馬赫錐的截面示意圖；圖2示出具有7個全方向聲傳感器的示范傳感器陣列示意圖；圖3示出在沖擊波僅有的彈道確定中固有的歧義性示意圖；圖4示出到達時間差測量的概率密度示意圖，用于確定馬赫錐的曲率；圖5示出在槍械彈道之間正確消歧的概率示意圖；圖6示出校正過程的示意圖；圖7示出在槍械彈道之間正確消歧所用的遺傳算法的流程；圖8示出用于區(qū)別非沖擊波信號的流程；圖9示出沖擊波到達時間(TOA)模型的示意圖；圖10示出用于射程估算的示意流程圖；以及圖11示出用于射程估算的遺傳算法的示意流程圖。
具體實施例方式如以上在發(fā)明內(nèi)容中所述，本發(fā)明在各種實施例中提供了用于槍械射程估算和射 彈彈道消歧的方法和系統(tǒng)。當對精確解所需的不足數(shù)量的參數(shù)進行檢測時，或當這些參數(shù) 不能被可靠檢測時，這些系統(tǒng)和方法特別有用和有利。超聲射彈彈道完全從分布在稱為天線的“小”測量容積上的幾個間隔很近的傳感 器所測量的射彈沖擊波到達時間來估算。如果傳感器的間距為2米或更少，則測量容積被 認為小。一旦射彈彈道被識別出，槍械的位置就已知，但沿彈道返回的距離除外。如果天線 也獲得了槍口爆炸聲的到達時間，則該距離就可求出。但槍口爆炸并不總是可檢測，因此對 于確定彈道，精確的沖擊波僅有的解是必不可少的?，F(xiàn)參閱圖1，沖擊波表面被認為是一個擴展的錐形表面，其軸線與子彈彈道一致。 沖擊波表面也稱為馬赫錐。為獲得沖擊波僅有的解，要從在5個或更多個天線傳感器上測 量的到達時間中確定三個特征到達角、曲率半徑、以及擴展錐形表面曲率半徑的空間梯度。首先到達天線的錐形表面發(fā)生器的到達角相對于在天線上的到達角確定了子彈 彈道的兩個可能相對角(常稱為“歧義”角)。以下將參閱圖3對“歧義”角作更詳細說明。 天線上錐形表面的曲率半徑確定了到彈道的距離和方向。沿表面發(fā)生器路徑的曲率半徑梯 度確定了子彈向哪個方向運動，從而去除了在兩個可能方向之間的“歧義性”。精確確定這 三個沖擊波特征并在兩個可能“歧義”的彈道角之間作正確判定要求有非常準確的測量。例 如，隨機誤差不應(yīng)大于大約1 μ s,以在兩個備選的槍械視線角之間作正確判定。所需精確度可以通過考慮圖1所示的沖擊波傳播特性來估算?，F(xiàn)也參閱圖2，天 線20包含N個傳感器(N = 7)，能夠確定前進錐形沖擊波的到達時間。由于進來的子彈彈 道實質(zhì)上可預(yù)期源于任何地方，天線振子23到觀可有利地均勻分布在球形表面上的位置 C (CXJ, Cyj，Czj)，一個振子22位于中心(CxQ，Cy0, CJ，這樣就呈現(xiàn)均勻的傳感器孔徑，與到達 角無關(guān)。指定為參考傳感器的第一傳感器檢測到前進的錐形表面的時間瞬間以、表示。其 它傳感器在以、表示的隨后時間檢測到前進的錐形表面。通過將每個時間差乘以聲音的 局部速度，就可獲得前進的錐形表面方向上的聲傳播距離，即Cli = c · (ti-t。)。如果沒有測量誤差，則穿過參考傳感器的錐形表面也可由其它(N-I)傳感器來確定，其中N個點的三維 坐標理想上確定沖擊波錐的所有參數(shù)。但如上所述，在到達時間測量和傳感器坐標中的誤 差可導(dǎo)致用于沖擊波錐的錯誤參數(shù)，繼而也導(dǎo)致射彈彈道的錯誤參數(shù)。以下將說明要對兩 個歧義彈道角作正確判定所需的到達時間差精度。該系統(tǒng)有利地結(jié)合了一些特征，以確保它不會將非彈道學(xué)信號如汽車噪聲、振動、 風(fēng)噪聲和EMI誤認為槍械信號。例如，可將傳感器桿安裝在汽車上(未示出)，在嚙合接點 處有彈性材料套管以防止卡嗒作響。傳感器可以附到有彈性材料聯(lián)結(jié)器的脊骨(spine)末 端，彈性材料聯(lián)結(jié)器具有大約IHz的低頻諧振，以使它們與脊骨振動隔離。傳感器脊骨也 可附到含模擬電子器件的共用集線器上，集線器也可附到具有彈性材料防震座的傳感器桿 上，以使其與桿振動隔離。此外，可采用以下判定算法來濾除缺少在沖擊波導(dǎo)出信號中通常發(fā)現(xiàn)的特征標記 的信號。所有值均被參數(shù)化，即相關(guān)，并可在外部調(diào)諧。所列的值僅為說明而提供?，F(xiàn)參閱圖8，過程800確定所檢測信號是否源自沖擊波。過程800在步驟802開 始，并在步驟804，檢查信號是不是一個足夠響的事件，以計數(shù)為一次沖擊，例如峰值信號值 是否超過給定的參數(shù)化閾值，例如500。如果是這種情況，過程800繼續(xù)進行步驟806，并檢 查從零到峰值信號值是否有明顯的瞬變，確保到該峰值的瞬變之前沒有有效幅度例如1/16 峰值信號值的另一信號。如果是這種情況，過程800繼續(xù)進行步驟808，并檢查在沖擊波最小值和最大值之 間的時間是否有足夠大的值，例如200-400μ S。如果是這種情況，過程800繼續(xù)進行步驟 810，并檢查最小值和最大值峰值信號振幅的幅度是否接近，例如在彼此的35%之內(nèi)。如 果是這種情況，過程800繼續(xù)進行步驟812，并使用與步驟806基本相同的準則檢查從最小 峰值信號到零的壓力峰值瞬變是否明顯。如果是這種情況，過程800繼續(xù)進行步驟814，并 檢查在最大信號值和過零之間以及在過零和最小信號值之間的時間是否可比，例如在大約 180 μ s內(nèi)。如果所有步驟都產(chǎn)生肯定的應(yīng)答，則過程800判定該信號可能是沖擊波，并在步 驟816對信號進行處理。相反，如果6個判定步驟之一是否定回答，則所檢測的信號不是源 自沖擊波，步驟818?；剡^來參閱圖1，射彈彈道被假設(shè)為與χ軸一致。馬赫角由θ = arcsin(l/M)給 出，式中M為馬赫數(shù)，定義為射彈速度V除以聲速c。L指天線的特征長度。天線20兩端的 錐形曲率半徑為巧和巧。左半圖片中的端視圖示出曲率1^是如何測量的。距離d等于d =T1 ·008(Φ)ο角Φ由sin((ji) = L/2ri定義，這樣對于小的角Φ，可得Φ L/2rlt)在 平分半徑為巧的錐形表面的天線表面上各點之間的曲率的時間差量度等于Clt1 = Ad/c = (rrcD/c ~ΓιΦ2/2ο = L2/(8 · T1 · c)。在 r2 = r「L · sin( θ )處的曲率的時間差量度由 同一表達式給出，但用巧代替于是，dt2 = dt1+L3sin(0)/8r12co假設(shè)是無偏測量誤差，即假設(shè)測量時間差Clt1和dt2是隨機分布值，具有不同的平 均數(shù)Clt1和dt2但有相同的統(tǒng)計確定的標準偏差σ，在陣列兩端處的平均測量值正確確定 了那里的局部曲率。用于時間差Clt1和dt2的測量值的示范分布示于圖4。在端2所作的樣本測量示為X。端2處的曲率半徑(半徑r2)小于端1處的曲率 半徑(半徑巧)。所以，在端1所作的具有大于X的值的所有測量會得出正確判定，即端1 處的曲率大于端2處的曲率。當在端2處的測量值等于X時，作出正確判定的概率由下式給出
權(quán)利要求
1.一種用于通過檢測沖擊波和槍口爆炸來估算槍械射程的方法，包括 在形成天線的多個間隔開的聲傳感器處測量沖擊波信號；在所述多個聲傳感器處測量槍口爆炸信號；從所測量的沖擊波和槍口爆炸信號中確定所述槍械射程的初始估算；假設(shè)一個初始子彈速度和子彈牽引系數(shù)；以及迭代計算沿子彈彈道的瞬時子彈速度，以獲得更新了的槍械射程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中迭代計算包括執(zhí)行預(yù)定數(shù)量的迭代。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述初始槍械射程包含計算所述沖擊波信號和 所述槍口爆炸信號之間的到達時間差(TDOA)以及到達角。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中迭代計算包括定義收斂準則，并且如果連續(xù)確定的 更新了的槍械射程之間的關(guān)系滿足所述收斂準則，則接受所述更新了的槍械射程作為最終 槍械射程。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中連續(xù)確定的更新了的槍械射程之間的所述關(guān)系是所 述連續(xù)確定的更新了的槍械射程之間的差。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中連續(xù)確定的更新了的槍械射程之間的所述關(guān)系是所 述連續(xù)確定的更新了的槍械射程之間的百分比改變。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中如果所計算的子彈速度小于聲速，則將所計算的子 彈速度設(shè)置為所述聲速。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中如果子彈彈道角和到達角都大于預(yù)定值，則所述更 新了的槍械射程被認為無效。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包含如果所述更新了的槍械射程無效，則應(yīng)用遺傳算 法(GA)，即定義所述GA的初始種群，所述種群具有預(yù)定數(shù)量的個體，每個個體由三元組表示，所 述三元組包含假設(shè)的槍械射程、所述子彈彈道的脫靶方位角(MA)和脫靶仰角(ME)； 對于預(yù)定義數(shù)量的代執(zhí)行所述GA ； 對每一代中的所述個體計算殘差；以及 在每一代中選擇具有最小殘差的解作為不變異而存活的個體。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包含如下步驟在已執(zhí)行了所述預(yù)定義數(shù)量的代后， 選擇具有最小殘差的解作為更新了的槍械射程。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括對于一代中的每個三元組，執(zhí)行預(yù)定數(shù)量的迭代，以計算修正的槍械射程，其中用所述 修正的槍械射程計算每一代中所述個體的殘差。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中應(yīng)用所述GA包括對一代中的所述種群應(yīng)用交叉和變異算子。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中應(yīng)用所述交叉算子包括在來自一代中所述種群的 兩個個體之間交換脫靶方位角和脫靶仰角中的至少一項。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述變異算子包括區(qū)段變異、增量變異以及無變異。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述區(qū)段變異算子用隨機選擇的值來替代所述三元組的值。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述增量變異算子在所述三元組的所有區(qū)段中引 起小變異。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述無變異算子保持一代中的所述個體不變。
全文摘要
說明了用于定位超聲射彈槍械的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)使用至少5個隔開的聲傳感器。檢測對于沖擊波以及可選的槍口爆炸的傳感器信號，其中槍口爆炸檢測或是來自少于4個傳感器通道而不完全，或是由于缺乏信號強度而不確定。遺傳算法可用來有效地消歧這些結(jié)果。
文檔編號G01S5/22GK102135398SQ20101058687
公開日2011年7月27日 申請日期2005年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月24日
發(fā)明者J·E·巴杰, M·S·布林, R·J·穆倫, S·D·米利根 申請人:Bbn科技有限公司