槍聲定距與彈丸測速方法
【專利摘要】隨著聲測定位技術的發展，槍聲定位系統的運用愈發成熟，在軍用、警用領域都取得了不錯的效果，運用場景也更加多變，在定點執勤、維穩、巡邏、運兵、戰斗行動等都有應用，對提升偵查探測的準確性和提高戰場士兵的安全性都有積極的作用。本發明提供一種能夠精確測量聲源點距離和彈丸速度的方法，通過建立陣列模型的數學方法，解決了現有方法中不能準確定距和測量彈丸速度的技術問題，能有效提升定位信息的準確性和豐富性。
【專利說明】
槍聲定距與彈丸測速方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種快速精確測量槍口距離和彈丸速度的聲測方法，尤其設及一種利 用微型麥克風陣列和膛口波、彈丸激波確定槍聲距離和彈丸速度的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著聲測定位技術的發展，槍聲定位系統的運用愈發成熟，在軍用、警用領域都取 得了不錯的效果，運用場景也更加多變，在定點執勤、維穩、巡邏、運兵、戰斗行動等都有應 用，對提升偵查探測的準確性和提高戰場±兵的安全性都有積極的作用。
[0003] 聲測槍聲定位系統是采用膛口波和彈丸激波進行定位的，膛口波為彈體內火藥在 槍膛中爆炸所形成的，彈丸激波是彈頭在超音速飛行的狀態下擠壓空氣所產生的飛行噪 聲，運兩種聲波攜帶有聲源點和彈丸的相關信息，采用至少兩個微型麥克風陣列分別測量 兩種聲波通過陣列的時間，并求得其時間差，通過計算即可測定聲源點的方向、距離和彈丸 速度。
[0004] 在槍聲定位系統領域，國內外所應用的聲測方法大體可分為兩類，即空間立體探 測和平面探測。空間立體探測采用空間分布的傳感器陣列，W大尺寸陣列為主，利用膛口波 到達時間差直接計算聲源點的俯仰角和方位角，而后估算聲源點位置;平面探測忽略聲源 點的俯仰角，W小尺寸平面陣列進行分析，多運用在單兵背負式系統，其利用同一陣列中傳 感器檢測到的膛口波和彈丸激波到達時間差來估算方位角和距離。上述方法測向性能較 好，但在定距和彈丸信息估算能力上存在明顯不足，而陣列尺寸過大不易隱蔽也限制了槍 聲定位系統的發展。例如CN103852746所述方法中，位置估算信息本身就存在誤差，而由于 距離求解公式中使用了位置估算的結果，運就進一步放大了誤差，定距效果并不理想； CN102243041所述方法中，提出了一種彈道解算方法，但根據彈道追溯聲源點在遠距離條件 下效果不佳，也無法做到對距離信息和彈丸速度的估計，定位效果并不理想。而運種數據的 不準確性和缺失性大大增加了±兵的危險系數，在運種情況下需要輔助W激光探測系統或 紅外探測系統才能實現準確的定距和彈丸信息的估計，而運就增加了定位設備的成本。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種能夠精確測量聲源點距離和彈丸速度的方法，解決了現 有方法中不能準確定距和測量彈丸速度的技術問題，能有效提升定位信息的準確性和豐富 性。
[0006] 為實現上述目的，本發明所采用的技術解決方案是：
[0007] -種槍聲定距和彈丸測速方法，其特征在于:包括W下步驟：
[000引1、布設并固定至少=個正棱錐麥克風陣列，任意選取兩個正棱錐陣列的底面中點 連線作為X軸建立=維直角坐標系，確定各陣列每一個麥克風傳感器的坐標，測量兩麥克風 陣列中屯、點間的距離D，將兩個正棱錐陣列的底面中點的坐標口1、&分別記為兩個麥克風陣 列的坐標，聲源點坐標記為P。
[0009] 2、記錄膛口波和彈丸激波到達各麥克風傳感器的時刻;對于每一個陣列而言，在 其中任選一個麥克風傳感器作為基準麥克風，而后計算該陣列中其他麥克風傳感器與基準 麥克風接收到膛口波的時間差，計算該陣列中其他麥克風傳感器與基準麥克風接收到彈丸 激波的時間差;計算一個麥克風陣列中所有麥克風傳感器接收到膛口波的平均時刻tit和接 收到彈丸激波的平均時刻tid，并將tit和tid作為該麥克風陣列膛口波和彈丸激波到達的時 亥IJ;計算另一個麥克風陣列中所有麥克風傳感器接收到膛口波的平均時刻和接收到彈丸 激波的平均時刻t2d，并將t2t和t2d作為該麥克風陣列膛口波和彈丸激波到達的時刻。
[0010] 3、測量海拔與溫度，根據海拔、溫度對聲音在空氣中傳播的影響公式計算聲速C。
[0011] 4、建立求解模型，將通過麥克風陣列的膛口波與彈丸激波波峰面視為平面，求解 通過麥克風陣列的膛口波與彈丸激波波峰面的單位方向向量。
[0012] 4.1、選取獨立麥克風陣列中任意一個麥克風傳感器為基準麥克風，根據坐標關系 分別計算出該陣列中剩余麥克風傳感器指向基準麥克風的指向性向量，W每個向量作為矩 陣的一行構成矩陣化X3。
[0013] 4.2、分別計算出該陣列中剩余麥克風傳感器接收到聲波(膛口波或彈丸激波）的 時刻與基準麥克風接收到該聲波的時刻之間差值，將每一個差值作為矩陣的一列構成列矩 陣TiXio
[0014] 4.3、將所測聲波的方向向量寫為列矩陣K3X1，并根據聲達時間差、聲達距離差和上 述矩陣之間的關系，=個矩陣之間有如下等式成立：
[0015] Qix3 ? Ksxi = C ? TiXi
[0016] 4.4、根據麥克風陣列的傳感器分布關系，矩陣QiX3必然可逆，則可計算出矩陣K3X1 的表達式：
[0017] Ksxi = C ? (Qix3)-1 ? TiXi
[0018] 4.5、將矩陣K3X1寫為向量形式乏，然后將其進行單位化運算，即可求得聲波通過該 麥克風陣列的單位方向向量I。
[0019] 4.6、將一個麥克風陣列的麥克風傳感器坐標帶入并計算如4.1所述的矩陣化，分 別根據陣列中各傳感器接收到膛口波和彈丸激波的時間差組成矩陣Tit和Tid,根據4.4和 4.5所述公式與方法，分別計算該麥克風陣列檢測到膛口波的單位方向向量;^和彈丸激波 的單位方向向量品,將另一個麥克風陣列的麥克風傳感器坐標帶入并計算如4.1所述的矩 陣分別根據陣列中各傳感器接收到膛口波和彈丸激波的時間差組成矩陣T2t和T2d，根據 4.4和4.5所述公式與方法，計算該麥克風檢測到膛口波的單位方向向量品和彈丸激波的單 位方向向量品^
[0020] 5、確定槍響時刻t和聲源點距離S及聲源點坐標P:
[0021] 5.1、將槍響的時刻記為t，根據所建立坐標系中坐標和向量關系，將兩麥克風陣列 的坐標Pi、h與聲源點坐標P之間的關系表示為：
[0022]
[0023] 5.2、兩個麥克風陣列間的指向性向量即由一個陣列坐標點指向另一個陣列坐標 點的向量為W，其自身表達式W及與兩麥克風陣列之間距離D的關系可表示為：
[0024]
[0025] 5.3、將5.1和5.2中坐標及向量關系總結為如下形式：
[0026]
[0027] 5.4、推導并計算槍響初始時刻t:
[002引
[0029] 5.5在聲速C已測量的情況下，根據槍響時刻即膛口波的發生時刻W及陣列檢測到 膛口波的時勸I，計貸畝源占的距離S巧畝源點坐標P:
[0030]
[0031]
[0032] 6、計算彈丸速度V:
[0033] 6.1、規定彈道上與陣列坐標Pi、P2對應的彈丸激波聲源點的坐標分別為Pa、Pb，與 陣列坐標Pi、P細對應的通過該陣列坐標點的馬赫錐線分別為射線Li、L2,在Pa與L2組成的平 面內，過Pa向L2做垂線段，垂足坐標為P22,該點定義為陣列點P2關于馬赫錐線L2的鏡像點，在 ?6與。組成的平面內，過口6向^做垂線段，垂足坐標為Pll,該點定義為陣列點Pl關于馬赫錐 線^的鏡像點。
[0034] 根據鏡像點的定義方式，陣列點Pi的鏡像點Pii在馬赫錐的同一條馬赫線上，彈丸 激波到達運兩點的時間同為tld，陣列點P2的鏡像點P22也同樣在馬赫錐的同一條馬赫線上， 彈丸激波到達運兩點的時間同為t2d。
[0035] 6.2、根據所建立的坐標系的坐標及向量位置關系，麥克風陣列坐標、彈丸激波聲 源點坐標和麥克風陣列關于彈丸激波的鏡像點坐標W及彈頭到達彈丸激波聲源點的時刻 tA、tB有如下關系：
[0036]
[0037] 6.3、根據位置關系，一個麥克風陣列與該麥克風陣列關于彈丸激波的鏡像點間連 線的所構成的向量fc，與通過該麥克風陣列的彈丸激波方向向量；；；垂直，基此：
[00；3 引
[0040]
[0039] fi -/L巧報fi -2由處掠巧向吾羊態而悠簡化為；
[0041] ItA'tB:
[0042]
[0043] 根據坐標關系求得兩麥克風陣列所測得的彈丸激波的聲源點坐標Pa、Pb，再根據第 6部分所求的槍響時刻to，計算彈丸的速度V:
[0044]
[0045] 本發明的益處在于，能夠測定立體空間射擊距離及彈速，沒有忽略角度而產生的 誤差;建立多個陣列減小誤差和錯誤數據，提高設備安全性。陣列體積小，能夠減小設備體 積。
【附圖說明】
[0046] 圖1為雙麥克風陣列布設示意圖。
[0047] 圖2為膛口波與彈丸激波傳播方向示意圖。
[0048] 圖3為陣列點、激波聲源點、陣列鏡像點位置關系示意圖。
[0049] 圖4為S麥克風陣列布設示意圖。
【具體實施方式】
[0050] 下面結合實施例和附圖，對本發明提出的槍聲定距和彈頭速度檢測方法進行詳細 的說明。
[0化1]實施例1
[005^ 如圖1所示，布設兩個正；棱錐麥克風陣列，陣列A由40,41，42,43四個麥克風傳感 器組成，陣列B由Bo, Bi, B2，B3四個麥克風傳感器組成，兩陣列臂長均為d，兩陣列間的距離為 D，W兩陣列中點連線作為X軸建立直角坐標系，并標定各麥克風傳感器的坐標和陣列A與B 的坐標Pl與P2。
[0053]計算膛口波和彈丸激波到達陣列A和B的時間：膛口波到達陣列A的時間tit定義為 膛口波到達陣列A四個麥克風傳感器的平均時刻，彈丸激波到達陣列A的時間tid定義為彈丸 激波到達陣列A四個麥克風傳感器的平均時刻;膛口波到達陣列B的時間t2t定義為膛口波到 達陣列B四個麥克風傳感器的平均時刻，彈丸激波到達陣列B的時間t2d定義為彈丸激波到達 陣列B四個麥克風傳感器的平均時刻。
[0054] 測量海拔與溫度，根據海拔、溫度對聲音在空氣中傳播的影響公式計算聲速c。
[0055] 1、計算通過麥克風陣列A和B的膛口波峰面與彈丸激波峰面的單位方向向量：
[0056] 1.1、對于麥克風陣列A，選Ao作為基準麥克風，膛口波到達基準麥克風Ao的時刻與 到達心，42,43;個麥克風的時間差分別為^、142、心己個聲達時間差組成列矩陣。;根據 向量關系，Ai，A2，A3指向Ao的向量分別記為:了,、石％，[^每個向量作為矩陣一行 構成矩陣Qi;假設通過陣列A的膛口波峰面方向向量為窺= (xu，_y,、,，::、，），將其寫為列矩陣形 式化，上述=個矩陣可表示為：
[0化7]
[005引根據坐標和向量關系有：
[0化9]
[0060] 上式寫為向量形式的方程組可表達為：
[0061]
[0062]根據標定的各麥克風傳感器的坐標，上述方程組描述為矩陣相乘的形式：
[0063；
[0064]上式即對應化?化=CTi的表達式，由于陣列的臂長d不為零，式中矩陣化必然可 逆，可將矩陣化寫為：
[00 化]
[0066] 將矩陣化寫為向量形式即是玩，將其進行單位化即為通過陣列A的膛口波峰面的 單位方向向量m 。
[0067] 根據上述計算方法，將矩陣Tl替換為陣列A測得彈丸激波的時間差所構成的列矩 陣T2,即可求得通過陣列A的彈丸激波峰面的方向向量品。
[006引陣列A與陣列B的布設方式相同，采用上述計算方法其矩陣化相同，故將矩陣Tl替換 為陣列B測得膛口波的時間差所構成的列矩陣T3,即可求得通過陣列B的彈丸激波峰面的方 向向量將矩陣Tl替換為陣列B測得彈丸激波的時間差所構成的列矩陣T4,即可求得通過 陣列B的彈丸激波峰面的方向向量品。
[0069] 如圖（2)所示，P為聲源點，分別為陣列A、B檢測到的膛口波方向向量巧、冠 的單位方向向量，品、完分別為陣列A、B檢測到的彈丸激波方向向量品、品的單位方向向 量，其中Al,B功彈丸激波聲源點，另根據圖和計算膛口波和彈丸激波到達陣列A和B的時間， 可將陣列A和B的已知信息匯總：
[0070]陣列A:坐標Pi，膛口波接收時刻tit、單位方向向量京，彈丸激波接收時刻tid、單位 方向向量品1
[0071 ]陣列B:坐標P2，膛口波接收時刻t2t、單位方向向量是，彈丸激波接收時刻t2d、單位 方向向量完
[0072 ] 2、確定槍響時刻t和聲源點距離S與聲源點坐標P:
[0073] 2.1、根據坐標和向量關系，將兩麥克風陣列的坐標表示為：
[0074]
[00巧]2.2、計算兩個麥克風陣列間的指向性向量《，并將其和距離D的關系表示為：
[0076]
[0077] 2.3、將2.1和2.2所述坐標及向量關系總結為如下形式：
[007引
[0079]
[0080]
[0081] 2.5、根據槍響時刻和陣列檢測到膛口波的時刻計算聲源點的距離S并計算聲源點 坐標P:
[0082]
[0083]
[0084] 3、確定彈丸速度V:
[0085] 3.1、如圖（3)所示，彈頭沿直線^飛行，彈丸激波隨彈頭飛行傳播形成馬赫錐，對 于檢測陣列A、B，其分別位于馬赫錐的橫切面圓化與圓化上，通過兩點的馬赫錐線分別為La 與Lb,Ai、Bi分別為陣列A、B對應的彈丸激波聲源點，根據彈丸激波和馬赫錐的特性有AAi垂 直于La,BBi垂直于Lb,直線AAi單位方向向量即為通過陣列A的彈丸激波單位向量品，直線BBi 單位方向向量即為通過陣列B的彈丸激波單位向量品:;另在Al與Lb所在的平面中做直線AiB2 垂直于Lb，垂足為B2，在Bi與La所在的平面中做直線B1A2垂直于La,垂足為A2，將A2、B2分別稱 為陣列A、B關于馬赫錐線La、Lb的鏡像點，其坐標分別記為Pii、P22,基于所作垂線的位置關系 有AiB2與BiB平行，且單位方向向量同為品，BiA2與AiA平行，且單位方向向量同為品。將彈丸激 波聲源點Al、Bi和鏡像點A2、B細關已知信息匯總：
[00化]Al:坐標Pa,彈丸激波產生即彈丸到達時刻tA;
[0087] Bi:坐標Pb，彈丸激波產生即彈丸到達時刻tB;
[008引 A2:坐標Pii,彈丸激波接收時刻tid、單位方向向量品；
[0089] B2:坐標P22,彈丸激波接收時刻t2d、單位方向向量完；
[0090] 3.2、根據向量及坐標關系，麥克風陣列坐標、彈丸激波聲源點坐標和麥克風陣列 關于馬赫錐線的鏡像聲源點坐標W及彈頭到達彈丸激波聲源點的時刻tA、tB有如下關系：
[0091]
[0092] 3.3、根據位置關系，一個麥克風陣列與另一個麥克風陣列關于彈丸激波的鏡像聲 源點間連線的向量與通過該麥克風陣列的彈丸激波方向向量垂直，基此：
[0093]
[0094] 偏化為：
[0095]
[0096]
[0097] 哥tA'tB:
[009引
[0099] 3.6、根據3.2中坐標關系求得兩麥克風陣列所測得的彈丸激波的聲源點坐標Pa、 Pb,再根據2.4所求的槍響時刻t，計算彈丸的速度V:
[0100]
[0101] 實施例2
[0102] 下面結合上述方法，再介紹一種使用=個麥克風陣列進行定距和彈丸速度估計的 實施例，該實施例通過增加麥克風陣列數量和改變陣列布設模型對定距和彈丸速度估計的 結果進行了優化。
[0103] 如圖四所示，布設=個正=棱錐麥克風陣列A、B、C，WA、B做為主模型，C做為輔助 陣列，A、C為輔助模型，建立空間直角坐標系。
[0104] 在定距過程中，仍然WA、B為主模型進行定距操作，計算方法與前述實施例相同。 考慮定距過程中的特殊聲源點的情況，即當主模型中A、B兩陣列所檢測到的膛口波方向向 量的差向量與兩陣列間連線垂直時，將導致5.4中估算槍響時刻的公式其分母為零，W致出 現定距數據異常，在此情況下，選取A、C輔助模型進行定距，計算方法與前述實施例相同，基 此能夠有效避開特殊聲源點，提高定距的精準度。
[0105] 在彈丸速度估計中，WA、B為主模型進行定距操作，計算方法與前述實施例相同。 考慮到彈丸速度估計中特殊彈道軌跡的情況，即彈道軌跡直線與陣列A、B連線共面，運時兩 陣列所檢測到的彈丸激波單位方向向量相同，將導致6.5中估算彈丸飛行時刻的公式其分 母為零，出現彈丸速度估計數據異常，在此情況下，選取A、C輔助模型進行定距，計算方法與 前述實施例相同，基此能夠有效避開特殊彈道軌跡直線，提高彈丸速度估計的精準度。
[0106] W上為本發明的較佳實施方案，凡熟悉此項技術者，在了解本發明的技術手段后， 皆能夠根據實際運用需要進行調整變化，例如增加麥克風陣列數列、調整陣列布設模型，調 整麥克風陣列中傳感器布設結構等，凡依據本發明申請專利范圍內所做的同等變化與修 飾，皆應屬本發明專利所涵蓋的范圍。
【主權項】
1. 一種槍聲定距與彈丸測速方法，該方法包括： SI:布設并固定至少三個正棱錐麥克風陣列，選取其中兩陣列作為主模型陣列，其余陣 列備用，建立坐標系； S2:記錄膛口波和彈丸激波到達各麥克風傳感器的時刻； S3:測量海拔與溫度，根據海拔、溫度對聲音在空氣中傳播的影響公式計算聲速； S4:建立求解模型，將通過麥克風陣列的膛口波與彈丸激波波峰面視為平面，求解通過 麥克風陣列的膛口波與彈丸激波波峰面的單位方向向量； S5:確定槍響時刻和聲源點距離及聲源點坐標； S6:計算彈丸速度。2. 根據權利要求1所述的一種槍聲定距與彈丸測速方法，其特征在于:步驟Sl中，當出 現特殊聲源點的情況，即當主模型中所選取兩陣列所檢測到的膛口波方向向量的差向量與 兩陣列間連線垂直或彈道軌跡直線與所選取陣列連線共面時，改變其中一個主模型陣列， 選取一個備用陣列建立坐標系。3. 根據權利要求1所述的一種槍聲定距與彈丸測速方法，其特征在于:步驟Sl主要步驟 為:任意選取兩個正棱錐陣列的底面中點連線作為X軸建立三維直角坐標系，確定各陣列中 每一個麥克風傳感器的坐標，測量兩麥克風陣列中點間的距離D，將兩個正棱錐陣列的底面 中點的坐標P^P 2分別記為兩個麥克風陣列的坐標，聲源點坐標記為P。4. 根據權利要求1所述的一種槍聲定距與彈丸測速方法，其特征在于:步驟Sl主要步驟 為:對于每一個陣列而言，在其中任選一個麥克風傳感器作為基準麥克風，而后計算該陣列 中其他麥克風傳感器與基準麥克風接收到膛口波的時間差，計算該陣列中其他麥克風傳感 器與基準麥克風接收到彈丸激波的時間差。5. 根據權利要求1所述的一種槍聲定距與彈丸測速方法，其特征在于:步驟S4主要步驟 為： 54.1、 選取獨立麥克風陣列中任意一個麥克風傳感器為基準麥克風，根據坐標關系分 別計算出該陣列中剩余麥克風傳感器指向基準麥克風的指向性向量，以每個向量作為矩陣 的一行構成矩陣QiX3 ; 54.2、 分別計算出該陣列中剩余麥克風傳感器接收到聲波(膛口波或彈丸激波）的時刻 與基準麥克風接收到該聲波的時刻之間差值，將每一個差值作為矩陣的一行構成矩陣T ixl; 54.3、 將所測聲波的方向向量寫為列矩陣K3xl，并根據聲達時間差、聲達距離差和上述 矩陣之間的關系，三個矩陣之間有如下等式成立： QiX3 · K3X1 = C · TiXl 54.4、 根據麥克風陣列的傳感器分布關系，矩陣Q1X3必然可逆，可計算出矩陣K3xl的表達 式.54.5、 將矩陣心^寫為向量形式云，然后將其進行單位化運算，即可求得聲波通過該麥 克風陣列的單位方向向量I;6. 根據權利要求1所述的一種槍聲定距與彈丸測速方法，其特征在于:步驟S5主要步驟 為： 55.1、 將槍響的時刻記為t，根據所建立坐標系中坐標和向量關系，將兩麥克風陣列的 坐標P1、P2與聲源點坐標P之間的關系表示為：55.2、 兩個麥克風陣列間的指向性向量即由一個陣列坐標點指向另一個陣列坐標點的 向量為其自身表達式以及與兩麥克風陣列之間距離D的關系可表示為：55.3、 將5.1和5.2中坐標及向量關系總結為如下形式：S5.5在聲速c已測量的情況下，根據槍響時刻即膛口波的發生時刻以及陣列檢測到膛 口波的時刻，計算聲源點的距離S和聲源點坐標Ρ:7.根據權利要求1所述的一種槍聲定距與彈丸測速方法，其特征在于:步驟S6主要步驟 為： 56.1、 規定彈道上與陣列坐標應的彈丸激波聲源點的坐標分別為Ρα、Ρβ，與陣列 坐標Pi、Ρ2相對應的通過該陣列的馬赫錐線分別為L1、L2，在Pa與L 2組成的平面內，過Pa向L2做 垂線段，垂足坐標為P22,該點定義為陣列點P 2關于彈丸激波的鏡像點，在?8與1^組成的平面 內，過Pb向1^做垂線段，垂足坐標為Pn，該點定義為陣列點P 1關于彈丸激波的鏡像點。 根據鏡像點的定義方式，陣列點鏡像點Pn在馬赫錐的同一條馬赫線上，彈丸激波 到達這兩點的時間同為〖1(1，陣列點內的鏡像點P22也同樣在馬赫錐的同一條馬赫線上，彈丸 激波到達這兩點的時間同為t 2d。 56.2、 根據所建立的坐標系的坐標及向量位置關系，麥克風陣列坐標、彈丸激波聲源點 坐標和麥克風陣列關于彈丸激波的鏡像點坐標以及彈頭到達彈丸激波聲源點的時刻t A、tB 有如下關系：56.3、 根據位置關系，一個麥克風陣列與該麥克風陣列關于彈丸激波的鏡像點間連線 的所構成的向量I，與通過該麥克風陣列的彈丸激波方向向量=垂直，基此：根據坐標關系求得兩麥克風陣列所測得的彈丸激波的聲源點坐標Pa、Pb，再根據求得的 槍響時刻to,計算彈丸的速度V :
【文檔編號】G01S11/14GK106019266SQ201610312806
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】黨存祿, 于光祖
【申請人】蘭州理工大學