阵列式炸点声音定位系统设计_武佳宏.pdf

年第期 阵列式炸点声音定位系统设计武佳宏，王黎明，庞存锁，苏灿生（中北大学 信息与通信工程学院，太原 ）基金项目：国家自然科学青年基金（）；年山西省应用基础研究计划项目（）；省部共建动态测试技术国家重点实验室开 放 研 究 基 金（）；山 西 省 青 年 科 技 研 究 基 金（）。摘要：利用炸点声音进行定位是目前热门的定位方法，为此设计了一个阵列式炸点声音定位系统，完善了所采用的阵列式炸点声音采集电路，包括大动态声音处理模块、多量程信号比较模块、数据处理模块等。通过 仿真验证了阵列式炸点声音采集电路功能，其中大动态声音放大电路可以高倍数放大声音信号，将获取的微小信号放大成可处理的声音信号，多量程信号比较模块采用多阈值结构进行处理，比较后输出具有声音信息的逻辑信号。再通过单片机 连接上位机进行数据传输，采用 进行数据分析定位，实现对炸点位置的初步定位。关键词：；声定位；逻辑信号中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言国家军事实力的发展离不开武器的研发，而研发出的新式武器性能需要多次评估。目标命中率测试是投射兵器发射技术中最重要的一个指标，准确及时掌握弹着点的位置对于校正投射过程、提高投射水平是非常必要的。科学技术进步使得武器装备变得更加智能，但相对应的测试设备却不是十分完善，因此武器的先进性与训练评估手段的落后性之间的矛盾更加严重了。目前，对炸点位置进行定位的方法繁简不一，每种方法的测试原理、精度、成本差异较大。基于光学的测试方法实时性强但对测试环境要求高，基于雷达的测试方法检测距离远但易受电磁干扰，此时基于被动声的声音定位具有设备成本低、工作时间长、受环境影响较小等优点，在炸点定位领域得到极大关注。本文基于 设计的阵列式炸点声音定位系统可以用于炸点的初步定位。设计的声音信号传感器采集炸点声音信号同时将其比较处理成逻辑信号，然后传输至 主控单元，连接上位机完成对数据的传输。本文利用 进行模拟仿真以及搭建实验系统验证设计的可靠性，最后通过 进行数据处理分析，实现对炸点位置的初步定位。系统设计方案阵列式声音定位系统主要由大动态声音处理模块、多量程信号比较模块和数据处理模块组成，如图所示。在搭建炸点定位系统时，按照设计好的阵列进行布设，当爆炸发生后，声音采集模块对爆炸产生的声音信号进行采集并传输给大动态声音处理模块，将微小的电压信号放大以便于比较判断放大电压信号，再经过多量程信号敬请登录网站在线投稿（）年第期 图阵列式炸点声音定位系统比较模块输出逻辑变量信号。多个传感器将采集到的数据传输到单片机进行处理，信号采集模块采用 微控制器作为主控单元。通过分析接收到的逻辑信号，按照算法进行初步定位。电路设计 大动态声音处理模块大动态声音处理模块实现爆炸信号采集以及放大传输，电路如图所示。图大动态声音处理模块大动态声音处理模块由部分组成，分别为声音采集电路、声音放大电路以及电压跟随电路。声音采集电路通过咪头对爆炸信号进行采集传输，声音放大电路会对咪头采集到的炸点声音信号进行放大处理，电压跟随电路可以避免前后级电路之间的相互影响。放大电路采取的是共射级分压偏置式放大电路。与固定偏置放大电路相比，分压偏置式放大电路能够减小温度对电路的影响，提高其稳定性。图中，、为分压偏置电阻，固定 点电压，引入直流反馈可以稳定静态工作点，起到抑制交流负反馈的作用。分压偏置式共射极放大电路可以实现稳定静态工作点的作用。根据直流通路分析，基极电压 为：（）集电极电流为：（）基极电流为：（）基射电压 为：（）（）共射极分压偏置式放大电路受温度影响较小。当温度升高时，会随之变大且，所以也会变大，但是固定的，使得 减小并导致减小，进而导致减小。多量程信号比较模块在复杂环境下，信号的采集与传输受到极大考验，本文采用逻辑电平信号采集输出方法，降低了声音信号采集传输的难度。多量程比较模块实现对放大处理过后的信号进行逻辑变量输出，实现信号分区化显示，电路如图所示。电路由两部分组成，一部分为多级比较电路，另一部分为跟随电路。多级比较电路采用滞回比较器设计，有很强的抗干扰能力。在比较电路输入过程中，常常会有很小的波动电压，这些波动电压会对电路产生干扰，使比较器输出发生连续变化。为此，滞回比较器设置了双阈值（一个用于检测上升电压，另一个用于检测下降电压），提高了抗干扰能力。跟随电路同样起到避免前后级电路之间相互影响的作用。以第一通道为例，当输出高电平时，和 串联后再与 并联。此时等效电阻 为：（）（）（）同向输入端电压 为：（）（）此时高阈值电压 为：（）当输出低电平时和并联，等效电阻为：（）年第期 同向输入端电压 为：（）（）此时高阈值电压 为：图多量程比较模块（）通过设计不同的阻值可以实现多阈值比较，从而实现爆炸信号分区设计。当放大处理后的爆炸信号进入多量程信号比较模块后，会同时进行多次不同阈值的比较。若超过比较器设定的阈值，则输出信号会由高电平变为低电平；若没有超过设定的阈值，则输出信号不会发生变化。图系统程序流程图 数据处理模块数 据 处 理 模 块 采 用 为 主 控 制器。它利用丰富的片上外设接口对存储、显示、通信、按键等子模块进行管理，通过对接收到的逻辑信号进行判断，实现接收 采样数据、数字信号处理、数据存储、结果显示以及人机交互等功能。利 用 完成数据采集与传输。微控制器软件设计主要涉及系统工作状态初始化、和串口初始化。初始化完成后，微控制器进入低功耗工作模式，相关数据采集通道自动进行相应的数据采集，当各个通道采集到数据后会发出采集完成中断信 号 来 唤 醒 微 控 制 器，系 统 程 序 流 程 图 如 图 所示。模拟仿真对系统进行 模拟仿真实验来验证系统设计的合理性。通过函数发生器模拟输出频率为 、振幅为 的信号。给大动态声音处理模块上电，指示 灯亮起。在函数发生器处连接第个万用表，检测输入放大电路信号的大小，在跟随器后连接第个万用表，检测放大电路输出信号的大小。输入的小信号为 ，通过放大电路处理后输出 的大电压信号，满足后续比较处理的需求。大动态声音处理模块输出的信号进入多量程信号比较模块进行分区比较。同样的信号进行不同阈值的比较，其中路比较结果如图所示。白色曲线为放大后的爆炸信号，另外条线为路比较后输出的逻辑电平信号。实验验证系统基于 开发板，配 合 大 动 态 声 音 处 理 模块、多量程信号比较模块进行爆炸声音数据采集分析。在 的区域内，按照设定好的坐标进行传感器以及模拟声源的布设。敬请登录网站在线投稿（）年第期 图路阈值比较结果本次系统搭建路数据采集，分别设置不同的阈值进行分散布设。采用串口通信方式验证采集结果，波特率设置为 ，数据位为位，停止位为位，无校验位。串口调试回传数据包含采集通道序号（传感器序号）、高低电平显示、响应次数计数、响应时间。首先进行低分贝信号激励，模拟的声音信号超过部分比较器阈值，号传感器与号传感器采集到信号；接着进行高分贝信号激励，模拟的声音信号超过比较器阈值，号、号、号传感器都采集到信号。采用路阈值相同的传感器布置在不同位置重新进行实验，将采集到的声音信号利用 进行分析。传感器及模拟声源位置如图（）所示，模拟声源放置点的坐标为（，）。利用 定位算法以及 定位算法进行定位，其定位结果分别如图（）、图（）所示。算法定位结果分别为（，）和（，），与实际坐标相近，误差在允许范围内。图算法定位结果图 结语阵列式炸点声音定位系统采用 系列微控制器作为主控单元，搭配大动态声音处理模块、多量程信号比较模块，利用 进行信号分析定位。实验结果表明，该系统能够实现炸点位置的初步定位。参考文献陈维兴，张传义 基于声学检测技术的弹着点定位系统兵工自动化，（）：国蓉，何镇安，王伟 被动声探测技术与弹着点定位方法综述 电声技术，（）：张林，周宏，袁暋，等线阵 动态成像系统的同步误差研究空间电子技术，（）：连细南，陈栋，石胜斌 炮弹炸点坐标检测技术研究综述兵器装备工程学报，（）：王晨辉，吴悦，杨凯 基于 的多通道数据采集系统设计电子技术应用，（）：靳 莹，杨 润 泽声 测 定 位 技 术 的 现 状 研 究 电 声 技 术，（）：武佳宏（硕士研究生），主要研究方向为电路设计。通信作者：武佳宏，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）