一種脈沖聲目標(biāo)的定向方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聲源定位技術(shù)，特別涉及一種脈沖聲目標(biāo)的定向方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有國內(nèi)外聲探測系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)定向的單個聲測哨一般都是采用布置成三角形的 傳聲器陣列，基于傳聲器陣列的聲源定位是結(jié)合傳聲器陣列空間選擇性強，抑制噪聲能力 強，通過對多路信號進行分析處理，在空間中定位出聲源的平面或空間坐標(biāo)，從而得到聲源 的位置。現(xiàn)有技術(shù)中，為了達(dá)到較高的定向精度，陣列孔徑較大，三角形傳聲器陣列在實際 應(yīng)用時需要平坦寬廣的地面，在山坡地等不平地面會造成定向精度不高，而且對于彈道聲 不能進行立體定向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種定向精度較高，能夠進行立體定位 且具有較好系統(tǒng)的靈活性和魯棒性的脈沖聲目標(biāo)的定向方法及裝置。
[0004] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：一種脈沖聲目標(biāo)的定向方法，包括以下步驟：
[0005] a)提供五個傳聲器構(gòu)成正四面椎體的五元立體傳聲器陣列，通過五元立體傳聲器 陣列采集聲信號并存儲；
[0006] b)對采集到的5通道的信號分別進行降噪處理，然后再進行時頻域聯(lián)合檢測，判斷 信號是否是真正的目標(biāo)脈沖聲信號，若結(jié)果為是，則繼續(xù)執(zhí)行下述步驟，若結(jié)果為否，則返 回步驟a;
[0007] c)采用零相位低通濾波器對各通道信號分別進行零相位濾波處理，實現(xiàn)脈沖聲信 號的精確完整截取，然后將截取出的5通道脈沖聲信號進行波形對齊處理；
[0008] d)采用插值算法對提取的脈沖聲信號進行插值，計算出時延差并判斷時延差是否 正確，若判斷結(jié)果為是，則繼續(xù)執(zhí)行下述步驟，若判斷結(jié)果為否，則結(jié)束；
[0009 ] e)根據(jù)溫度、風(fēng)速和風(fēng)向?qū)r延差結(jié)果進行氣象修正；
[0010] f)采用5個通道兩兩時延差計算出目標(biāo)聲源在坐標(biāo)系上的方向角和俯仰角，計算 出各通道脈沖聲信號信噪比，對各通道信噪比進行排序，并與設(shè)定的信噪比門限進行比較， 判斷各通道信號質(zhì)量的優(yōu)劣，經(jīng)過定向去模糊后得出目標(biāo)所處的象限并輸出目標(biāo)相對于五 元立體傳聲器陣列的方向角和俯仰角。
[0011]作為優(yōu)選方案，在步驟b中，進行時頻域聯(lián)合檢測時，先通過檢測信號的時域峰值 能量、時域平均能量、時域脈沖形狀來發(fā)現(xiàn)并初步截取完整時域脈沖聲信號;然后計算該脈 沖聲信號的功率譜，并得出相應(yīng)的頻域譜峰位置、頻域能量分布，再判斷該信號是否是真正 的目標(biāo)脈沖聲信號。
[0012] 作為優(yōu)選方案，所述步驟d中插值采用如下算法：
[0013] ①設(shè)提取到的脈沖波長度為Ll個點，插值后脈沖波長度為1^2個點，LsA，脈沖波時 域序列為Χι;
[0014]②對脈沖波序列Xi做傅里葉變換，變換長度為U，變換后得到頻域序列XFi;
[0015]③計算原序列的最高頻率位置:^=〇^+1)/2;
[0016] ④在序列XF^nf位置后插入1^七個0，其它值保持不變，得到頻域序列XF2，長度為 L2;⑤對序列XF2做逆傅里葉變換，得到時域序列χ2;
[0017] ⑥最終插值后的脈沖波時域序列為:χ3 = χ2 X (L2/U)。
[0018] 作為優(yōu)選方案，在進行步驟d時，兩路信號的時延差通過以下算法得出：
[0019] ①設(shè)待計算的兩路信號分別為：
[0020]
[0021] 式中，s⑴是聲源，m、a2是傳播衰減系數(shù)，m、n2是環(huán)境噪聲，d是待估計的時延；
[0022] ②根據(jù)公式：及w(/)=五- /)]
[0023] 式中，E式期望算子，使上式最大的變量f就是要估計的時延；
[0024]③采用廣義互相關(guān)法，對于離散數(shù)字信號進行處理，廣義互相關(guān)輸出為離散數(shù)字 序列，時延由兩部分組成，整數(shù)時延P和小數(shù)時延W，根據(jù)公式：
[0025]
[0026] 從而計算出W。
[0027]作為優(yōu)選方案，在步驟f中，所述定向去模糊包括解模糊方法和陣列修正方法，解 模糊方法包括以下步驟：
[0028]①使用反正切三角函數(shù)計算方向角并判斷其正負(fù)，若結(jié)果為正，繼續(xù)判斷第一傳 聲器和第三傳聲器的時延差是否為正，若反正切三角函數(shù)值的結(jié)果為負(fù)，則繼續(xù)判斷第二 傳聲器和第四傳聲器的時延差是否為正；
[0029]②通過判斷第一、第三傳聲器和/或第二、第四傳聲器的時延差的正負(fù)，得到輸出 目標(biāo)的方向角所處象限；
[0030] ③通過陣列修正方法確定輸出目標(biāo)的方向角所處象限。
[0031] 作為優(yōu)選方案，在步驟C中，所述零相位低通濾波器的截止頻率為80Hz。
[0032] 一種脈沖聲目標(biāo)的定向裝置，包括：
[0033]數(shù)據(jù)采集模塊，其包括五個傳聲器，五個傳聲器構(gòu)成正四面椎體并構(gòu)成五元立體 傳聲器陣列；
[0034] 降噪檢測模塊，其對聲信號采集模塊采集到的5通道的信號分別進行降噪處理，并 進行時頻域聯(lián)合檢測；
[0035] 零相位濾波模塊，其采用零相位低通濾波器對各通道信號分別進行零相位濾波處 理，實現(xiàn)脈沖聲信號的精確完整截取，且可對截取出的5通道脈沖聲信號進行波形對齊處 理；
[0036] 時延處理模塊，其通過插值算法對提取的脈沖聲信號進行插值，計算出時延差并 判斷時延差是否正確；
[0037]氣象修正模塊，其根據(jù)溫度、風(fēng)速和風(fēng)向?qū)r延差結(jié)果進行氣象修正；
[0038]優(yōu)化輸出模塊，其可根據(jù)5個通道兩兩時延差計算出目標(biāo)聲源在坐標(biāo)系上的方向 角和俯仰角，計算出各通道脈沖聲信號信噪比，對各通道信噪比進行排序，并與設(shè)定的信噪 比門限進行比較，判斷各通道信號質(zhì)量的優(yōu)劣，通過定向去模糊模塊得出目標(biāo)所處的象限 并輸出目標(biāo)相對于五元立體傳聲器陣列的方向角和俯仰角。
[0039] 作為優(yōu)選方案，所述正四面椎體的底面是邊長為2米的正方形，正四面椎體的高為 2米。
[0040] 作為優(yōu)選方案，所述零相位低通濾波器的截止頻率為80Hz。
[0041] 作為優(yōu)選方案，所述定向去模糊模塊包括解模糊模塊和陣列修正模塊，解模糊模 塊可得出輸出目標(biāo)的方向角所處象限，所述陣列修正模塊可對解模糊得到的數(shù)據(jù)進行修 正。
[0042] 本發(fā)明能夠提高在山坡地等不平地面的定向精度，能夠進行立體定向；在陣列尺 寸縮小的條件下，仍能保證聲探測系統(tǒng)定向精度的要求，甚至是傳聲器陣列中某一傳聲器 出現(xiàn)了故障時，采取優(yōu)化策略仍能使定向精度達(dá)到系統(tǒng)的要求;此外，在滿足系統(tǒng)定向精度 要求的條件下，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和魯棒性。
【附圖說明】
[0043] 圖1是本發(fā)明實施例的五元立體傳聲器陣列的示意圖。
[0044] 圖2是本發(fā)明實施例的脈沖聲目標(biāo)的定向方法的流程框圖。
[0045] 圖3是本發(fā)明實施例的脈沖聲目標(biāo)的定向方法的流程詳圖。
[0046] 圖4是本發(fā)明實施例的定向去模糊方法的流程圖。
[0047] 圖5是本發(fā)明實施例的脈沖聲目標(biāo)的定向裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0048] 下面，結(jié)合實例對本發(fā)明的實質(zhì)性特點和優(yōu)勢作進一步的說明，但本發(fā)明并不局 限于所列的實施例。
[0049] 如圖1至圖4所示，本實施例的脈沖聲目標(biāo)的定向方法，包括以下步驟：
[0050] S100)提供五個傳聲器構(gòu)成正四面椎體的五元立體傳聲器陣列，通過五元立體傳 聲器陣列采集聲信號并存儲。本實施例為一種小尺寸正四面錐體傳聲器陣列，如圖1所示， 3 1、&、&、54和&五只傳聲器分別位于錐體的各頂點上，根據(jù)計算設(shè)計底座為(5 1&站4)邊長 2米的正方形，高為2米。圖1中T為待定向的目標(biāo)聲源，Θ為其相對于陣的俯仰角，φ為其相對 于陣的方向角。傳聲器陣列對目標(biāo)聲信號進行高精度采集，具體的就是選用高速高精度的 數(shù)據(jù)采集模塊來進行信號采集。對采集到的原始目標(biāo)信號進行存儲，以備后用。
[0051 ]本實施例的脈沖聲由火炮發(fā)射、炸藥爆炸產(chǎn)生，脈沖聲在遠(yuǎn)距離傳輸過程中經(jīng)過 空氣吸收和阻礙等影響，在距離聲源較遠(yuǎn)處進行接收時主要拾取到的是80ΗΖ以下的信號， 按照80Hz計算信號的波長是
長，式中，λ為波長，c為聲速，f為頻率， 計算得到接收到的火炮聲信號波長大于4.25米，為了在空間中有效的采集到火炮聲信號， 要求陣元間距小于λ/2。
[0052] S200)對采集到的5通道的信號分別進行降噪處理，然后再進行時頻域聯(lián)合檢測， 判斷信號是否是真正的目標(biāo)脈沖聲信號，若結(jié)果為是，則繼續(xù)執(zhí)行下述步驟，若結(jié)果為否， 則返回步驟S100;由于采集到的信號中包括各種噪聲或干擾成分，所以首先對5通道的信號 分別進行降噪處理。若判斷為是目標(biāo)脈沖聲信號，則進行步驟S300。
[0053]具體的，在步驟S200中，進行時頻域聯(lián)合檢測時，先通過檢測信號的時域峰值能 量、時域平均能量、時域脈沖形狀來發(fā)現(xiàn)并初步截取