一種基于hht瞬時能量譜的fdoa定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于鉆地彈侵徹技術領域，主要涉及鉆地彈侵徹軌跡定位，具體是一種基 于希爾伯特-黃變換（HHT)瞬時能量譜的鉆地彈地下軌跡定位方法，主要用于對鉆地彈性 能測試及靶場回收。
【背景技術】
[0002] 在當今世界，和平與發(fā)展是世界主流，但弱國無外交也是不爭的事實。經濟落后、 軍事落后，就會時刻面臨其他國家的威脅，隨著經濟的發(fā)展，各國為了維護國家利益，鞏固 國內外發(fā)展環(huán)境，軍事上的投入和發(fā)展尤為重要?，F代戰(zhàn)爭中，由于地上目標很容易被偵查 和打擊，各國開始將很多重要的設施設置在地下深處，因而鉆地彈成為打擊這類地下目標 的重要武器。資料顯示，國內外對鉆地彈侵徹靶體的攻擊準確性及侵徹深度研究較多，相對 而言，對侵徹軌跡及運動規(guī)律的研究較少。研究鉆地彈侵徹軌跡和規(guī)律同樣很有必要，一方 面由于鉆地彈侵徹時影響其運動規(guī)律的因素很多，需要進一步探究；另一方面用于鉆地彈 性能測試的靶場試驗大多要求對彈體進行回收，需要對鉆地彈的侵徹軌跡進行定位；更重 要的是軍事武器的更新換代需要對鉆地彈進行全面研究。文獻"基于地震動傳感器陣列的 彈丸落點定位技術研究"通過對彈丸侵徹時產生的地震波信號確定瑞雷波用于檢測彈丸的 落點，通過對落點的定位確定鉆地彈的攻擊準確性。根據到達時差（TDOA)定位方法提出了 基于地震檢波器菱形陣列和三角形陣列的定位模型對彈丸落點進行定位，但是TDOA定位 方法要求地震波信號的傳播是勻速、勻變速或者遵循一定的傳播規(guī)律。地震波受到試驗現 場環(huán)境的影響，其傳播速度并不是規(guī)律的，這樣導致各個地震檢波器接收信號的時延存在 較大偏差，使得定位不準確。文獻"侵徹過程中動態(tài)參數的理論分析及數據處理方法研究" 利用空腔膨脹理論、牛頓第二定律以及微分方程的求解，得出侵徹深度的計算模型，同時使 用Matlab GUI (圖形用戶界面）工具箱實現對侵徹深度分析處理系統(tǒng)GUI的界面設計，但 是使用數值法求解侵徹深度的模型過于簡單，有些必要的因素未能考慮進去，并不能代替 實彈試驗。
[0003] 綜上所述，目前國內外主要研究鉆地彈侵徹靶體的攻擊準確性及侵徹深度。通過 TDOA定位方法對鉆地彈侵徹靶體的落點研究，以確定鉆地彈攻擊目標的準確性，但是影響 鉆地彈侵徹過程中運動軌跡的因素很多，僅僅通過落點的準確性來判斷對目標攻擊的準確 性并不可靠。通過數值法求解鉆地彈侵徹深度的方法過于簡單，有些必要的因素未能考慮 進去，并不能代替實彈試驗。
[0004] 隨著鉆地彈侵徹靶體的深入研究，對其攻擊準確性及侵徹深度的探究并不能滿足 日益激烈的國防軍事要求，需要對鉆地彈的侵徹性能進行全面測試，因此本發(fā)明展開了對 鉆地彈侵徹軌跡及運動規(guī)律的研究。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對上述定位方法的不足，提出了一種基于HHT瞬時能量譜的 到達頻差（FDOA)定位方法，其中創(chuàng)新性的提出基于HHT瞬時能量譜的頻差定位技術，該定 位技術克服了 TDOA定位方法提取時差的不確定性，同時將定位中的必要因素考慮在內，通 過實彈試驗驗證了該方法的可行性，該定位方法大大提高了鉆地彈位置估計的準確性和可 靠性。
[0006] 本發(fā)明是一種基于HHT瞬時能量譜的FDOA定位方法，用于對鉆地彈侵徹位置進行 定位估計，其特征在于，包括有如下步驟：
[0007] (1)在地面建立一個長寬高分別為Q的夯實立體土堆作為鉆地彈侵徹靶體，選取 靶體的一個側面作為鉆地彈侵徹面，在靶體上表面埋設地震檢波器N個，用于記錄鉆地彈 侵徹產生的震動信號，埋設地震檢波器的位置坐標為S1= (X u yi，Z1)，i = 1，2, "·Ν，i為檢 波器號，（Xl，yi，Z1)為埋設地震檢波器的位置坐標；
[0008] (2)試驗后，獲取鉆地彈的侵徹信息，侵徹信息包括地震檢波器接收的地震波信號 及侵徹后確定的鉆地彈位置坐標，其中地震波信號為A1(Uv1), i = 1，2,…N，共N組地震 波信號，^為檢波器i接收的鉆地彈侵徹時間，V t i時刻檢波器i處質點的振動速度， 侵徹后確定的鉆地彈坐標分別為侵入點位置坐標和終點位置坐標，侵入點位置坐標S1 = (X1, y〗，Z1)，終點位置坐標 Sp= (X P, yP, Zp);
[0009] (3)將地震波信號按起震時間的先后順序排列，從最先起震的信號開始，間隔選取 M組無失真、相似性高的信號，將選出的M組信號定義為原信號，原信號Sl，S2，…sM u sM為隨 時間波動變化的地震波信號；
[0010] (4)利用經驗模態(tài)分解（EMD)算法對原信號進行帶通濾波處理得到濾波后信號 di(t)、d2(t)、...、dM1(t)、dM(t);
[0011] (5)分別提取M組濾波后信號的時間特征點；
[0012] (6)利用HHT瞬時能量譜分別提取M組濾波后信號的優(yōu)勢瞬時頻率；
[0013] (7)將濾波后信號的優(yōu)勢瞬時頻率與時間特征點進行特征匹配，得到M組濾波后 信號的瞬時頻率特征點，將M組濾波后信號的瞬時頻率特征點按組號順序由小到大兩兩相 減，即組合得到：
組瞬時頻差；
[0014] (8)利用
組瞬時頻差及M個地震檢波器坐標，采用FDOA定位方法，計算 得到試驗鉆地彈侵徹坐標點，對所得坐標點擬合作圖，得鉆地彈侵徹軌跡；
[0015] (9)基于HHT瞬時能量譜的FDOA定位方法的定位誤差分析。
[0016] 本發(fā)明提出的基于HHT瞬時能量譜的FDOA定位方法對鉆地彈軌跡進行定位，克服 了 TDOA定位方法提取時差的不確定性，通過FDOA法獲得的瞬時頻差更能夠反映地震波的 特性，同時本發(fā)明通過對鉆地彈侵徹軌跡的定位以確定對目標攻擊的準確性，定位精度更 尚。
[0017] 與現有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0018] 1)提出了一種基于HHT瞬時能量譜的FDOA鉆地彈軌跡定位方法，其中創(chuàng)新性的提 出基于HHT瞬時能量譜的頻差定位技術，該定位技術克服了 TDOA定位方法提取時差的不確 定性，同時該定位技術大大提高了鉆地彈位置估計的準確性和可靠性；
[0019] 2)將地震波信號的時間特征點與瞬時頻率特征點進行特征匹配，能夠準確地抓 住地震波信號的本質特征，同時地震波信號的頻率特性更能反映鉆地彈侵徹過程的本質變 化，利用瞬時頻率特征點進行鉆地彈位置定位，其方法相對其他定位方法更加可靠，測量更 加方便，同時計算也較簡單；
[0020] 3)利用EMD帶通濾波去除噪聲，由于EMD算法能夠很好的將地震波信號按照頻率 進行高低分層，其中高頻分量為外界環(huán)境噪聲信號，低頻分量為檢波器固有噪聲，使用EMD 帶通濾波能夠很好的濾除噪聲信號，使得測量信號更加準確有效；
[0021] 4)本發(fā)明利用對地震波信號的處理提取鉆地彈侵徹軌跡在相關領域尚屬首例，試 驗表明，經過基于HHT瞬時能量譜的FDOA定位法定位所得的鉆地彈位置坐標與實際測量坐 標位置誤差小于10%，本發(fā)明可以達到良好的鉆地彈位置估計效果。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的流程框圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明的試驗模型圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明的原信號選取圖；
[0025] 圖4為EMD算法帶通濾波子流程圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明的HHT瞬時能量譜的FDOA算法流程圖；
[0027] 圖6為利用本發(fā)明通過試驗得到的鉆地彈軌跡圖。
【具體實施方式】
[0028] 目前，國內外對鉆地彈的研究主要在其侵徹靶體的攻擊準確性及侵徹深度方面。 包括通過TDOA法對鉆地彈侵徹靶體的落點研究，以確定鉆地彈攻擊目標的準確性，但是影 響鉆地彈侵徹過程中運動軌跡的因素很多，僅僅通過落點的準確性來判斷對目標攻擊的準 確性并不可靠；通過數值法求解鉆地彈侵徹深度，但是該方法過于簡單，有些諸如實彈試驗 中的風速、空氣、土壤阻力、工業(yè)噪聲等必要因素未能考慮進去，并不能代替實彈試驗。本發(fā) 明基于實彈試驗開展的對鉆地彈侵徹軌跡進行的測試，及侵徹軌跡和運動規(guī)律的研究。

【發(fā)明內容】

[0029]
[0030] 本發(fā)明的目的在于針對上述定位方法的不足，提出了一種基于HHT瞬時能量譜的 FDOA定位方法，其中創(chuàng)新性的提出基于HHT瞬時能量譜的頻差定位技術，該定位技術克服 了 TDOA定位方法提取時差的不確定性，同時將定位中存在的必要因素考慮在內，通過實彈 試驗驗證了本發(fā)明的可行性，本發(fā)明的定位方法大大提高了鉆地彈位置估計的準確性和可 靠性。
[0031] 實施例1
[0032] 本發(fā)明是一種基于HHT瞬時能量譜的FDOA定位方法，在于探究利用鉆地彈侵徹獲 取的地震波信號對鉆地彈侵徹過程進行位置估計。參照圖1，本發(fā)明的實現包括有如下步 驟：
[0033] (1)在地面建立一個長寬高分別為Q的夯實立體土堆作為鉆地彈侵徹靶體，選取 靶體的一個側面作為鉆地彈侵徹面，在靶體上表面埋設地震檢波器N個，用于記錄鉆地彈 侵徹產生的震動信號，埋設地震檢波器的位置坐標為S1= (Xl，yi，Zl)，i = 1，2,…N，i為 檢波器號，（X1^DZ1)為全站儀選定的坐標系測得的位置坐標；本例中，在地面建立一個長 寬高分別為5米的夯實立體土堆作為鉆地彈侵徹靶體，選取靶體的一個側面作為鉆地彈侵 徹面，參照圖2,炮膛中心線垂直于侵徹面，設定垂直于侵徹面的理想彈道軌跡為彈道中心 線，在中心線兩側的靶體上表面，分別以五元十字陣埋設5個地震檢波器，用于記錄鉆地彈 侵徹產生的震動信號，地震檢波器坐標為S1= (X Dy11Z