提高声定位智能引信实时性方法

第３２卷第７期　四川兵工学报　２０１１年７月　【自动化技术】　提　高声　定位智能引信实时性方法　宋燕燕，庞学民，李爱勤，代　攀　（信息工程大学理学院电子信息工程系，郑州４５０００１）　摘要：现代战争对引信提出了更高的要求，声定位引信优势独特、应用广泛。结合智能引信的构成、功能和特点，设　计了实时性较好的声定位系统。并从预警电路的设计、定位阵列的选择方法、定位系统的硬件和软件４个方面研究　了如何提高智能引信实时性的方法。　关键词：实时性；声定位；引信　中图分类号：ＴＪ４３＋４．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—０７０７（２０１１）０７—００８７—０３　引信技术是武器系统中最敏感的技术之一，引信技术的　突破可以大幅度提高武器系统的作战效能。现代引信　是　２影响实时性的因素　利用目标信息、平台信息、环境信息和网络信息，按预定策略　引爆战斗部，实施攻击任务的控制系统。实时性即引信软件　声定位智能引信的工作过程是目标识别、定位和起爆３　必须满足时问约束的特性，它是决定实时软件性能的关键因　个过程，每个过程都将耗费一定的时间。从声定位智能引信　素之一。引信软件属于强实时系统，在战场上，战机稍纵即　的工作过程和定位原理分析实时性。在目标识别过程中，选　逝，一秒钟甚至几毫秒就可能决定着战斗的胜败。强实时系　择一种即能准确识别目标，实时陛又好的方法。在定位过程　统通常是毫秒级或微秒级，也就是装有智能引信的武器从引　中，分析不同定位阵列所需时间，选择一种定位精度满足要　信搜集目标信息到引爆只能在几个毫秒甚至是微秒级。　求，用时又少的定位阵列。主要从硬件和软件两个方面分析　系统的实时性。硬件上主要是从处：哩器的选择、采样频率的　１　声定位智能引信设计方案　设置硬件优化。在软件方面，采用什么样的定位算法以及算　法的实现和优化，定量判断定位算法用时能不能满足实时性　智能引信是在信息的产生、采集、传输、存储、处理和控　要求。　制等过程中实现自适应和智能控制，以达到总体最优。智能　２．１预警模块实时性研究　引信有学习和判断功能，能判定是何种目标，从而决定在何　预警电路主要完成目标识别。目标识别关键技术是目　时以何种方式起爆。根据智能引信的构成和应具有的功能　标特征提取。目前特征提取通常采用的特征是自回归ＡＲ　和特点，设计的声定位智能引信系统如图１所示。　模型参数特征、功率谱特征、小波变换能量特征，这些特征提　取方法优点是识别率较高，但是算法处理时间太长。此外还　有相关函数特征、过零率特征。　本系统采取的是过零特征识别。过零特征识别电路相　１　］［　对于其它特征识别电路具有很多独特的优势：过零率预警电　路可以完全采用纯模拟电路实现，不需要进行ＡＤ采样和复　杂的数字计算，不需要数字信号处理芯片，具有最短的识别　时问；功耗低，适用于电池供电条件下长期工作；采用声过零　图１　声定位智能引信系统设计　率和地面震动复合预警，可以大大提高预警的准确率。声和　预警模块采用一路声音信号和一路震动信号复合预警　震动信号复合预警的设计如图２所示。　技术。当识别为敌方目标时，预警模块开启ＤＳＰ定位系统，　多路传声器信号经信号调理电路放大滤波后，经ＡＤ采样读　人ＤＳＰ处理器进行定位算法计算。　蒌萎　莲鎏　差鬈　簸　誊蓉　霆垂耋　图２声和震动信号复合预警　收稿日期：２０１１—０４—２９　作者简介：宋燕燕（１９８４一），女，硕士，主要从事信号与信息处理及智能仪器设计研究。　四川兵工学报　一ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｊＯＵＩ￣ＯＩＷ．ｃｏｍ／　个振动信号和一个声信号经过前置放大电路、滤波电　确定变量的生命周期；在数据类型的定义时，采用浮点运算　定点化来避免浮点操作；用软件流水线技术优化循环；使用　延迟指令；使用并行指令尽量利用ＤＳＰ的并行处理资源；使　用专用特殊指令；使用ＤＳＰ　Ｌｉｂｒａｒｙ提高编程效率。采用上　述优化方法进行自适应时延估计所用时间如表１所示。　表ｌ　直接自适应时延估计用时分析（ｍｓ）　路、整形电路、积分电路和过零率检测电路后，输出信号为　“０”或“１”。根据不同的作战目标和战场环境选择不同的触　发条件。　２．２定位阵列实时性研究　常用的定位阵列有三元一线阵、四元一线阵、四元立体　阵、五元十字阵和五元立体阵。不同定位阵列所需的时间的　数量不同，从定位所需用时分析，三元一线阵定位用时最短，　五元立体阵用时最长。阵形的选择要同时满足定位精度和　实时性要求。如果是对地面目标定位，并且知道目标出现的　大致位置时，可采用三元一线阵定位精度，用时最短，实时性　好。如果是对空间目标定位，可采用四元十字阵。　２．３定位分系统硬件实时性研究　定位系统对于硬件的要求主要有２个方面：①低功耗。　在电池供电的情况下长时问在野外工作，要求硬件必须是低　功耗的。②运算速度快。基于上述分析，选用的ＤＳＰ是　ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９，它是一款微功耗、高性能的１６一ｂｉｔ定点　ＤＳＰ芯片，也是目前ＴＭＳ３２０功耗最低的芯片　。为了提高　定位系统实时性，采用ＤＭＡ控制器控制数据的采集和传输，　这样数据采集和处理可以并行进行，并对根据ＶＣ５５０９Ａ硬　件特征进行优化。　２．４定位分系统软件实时性研究　软件优化方法集中在２个方面。一个是对算法实现方　法上的优化，一个是对算法本身的优化。目前声源定位技术　基本方法大致可分为基于最大输出功率的．可控波束形成技　术、基于高分辨率谱估计技术和基于声达时间差的定位技术　３类。前２种方法为直接定位法，计算量较大、实时性差。第　３种方法是一种间接定位法，相对前２种方法计算量小、更利　于实时处理，定位精度较高，在声源定位中应用最多。　本定位系统对地面目标采用三元一线阵，采用　ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９Ａ，指令周期为５．１　ｎｓ，采用自适应时延估　计口Ｉ４　与其它方法相比，主要有３个优点：①只需少量的输　入信号和噪声的先验知识；②可以跟踪动态或变化的输入　环境；③时延估计精度较高。直接自适应时延估计原理图　如图４所示。　图４　自适应滤波器直接实现时延估计　２．４．１算法实现方法上的优化　ＤＳＰ优化的方法很多，在本系统中采用的优化方法　有：使用ＣＣＳ优化编译器；用关键字ｒｅｓｔｒｉｃｔ来标识指　令，并行执行；在变量定义和声明时，提高全局变量的重复利　用率，变量声明尽量靠近第一次被使用的区域，以使编译器　从表中可以得到，在信噪比较高的情况下，用库函数实　现直接Ａ适应时延估计可以满足实时要求，在信噪比较低的　情况下，不能满足实时性要求。　２．４．２算法本身的优化　为了提高自适应时延估计　的实时性，主要从采用不同　的梯度估值，采用不同的方法选用收敛因子步长，采用变换　域分块技术３个方面。快速截断数据ＬＭＳ算法（ＦＣＬＭＳ）是　在频域ＬＭＳ自适应滤波器基础上采用分块ＬＭＳ和截断数据　ＬＭＳ（ＣＬＭＳ）。分块ＬＭＳ算法是将时域数据分组构成有Ｎ　点的数据块，在每块上滤波权系数保持不变。截断数据ＬＭＳ　算法利用符号函数将滤波器的输入数据截断为１或一１，减　少了部分乘法，故ＣＬＭＳ比一般时域ＬＭＳ算法的计算量减少　了一半，提高了算法的实时性。通过分析ＬＭＳ快速截断数　据ＬＭＳ算法所需乘法次数，得到表２。　表２　ＦＣＬＭＳ方法与一般ＬＭＳ算法计算量分析　宋燕燕，等：提高声定位智能引信实时性方法　８９　ｒ｝ｒ｝２　３　４　５　６　１』］ｊ（上接第８６页）　ｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｎｏｉｓｅ　Ｉｎｓｉｄｅ　Ｒａｉｌｂｏｕｎｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　１　Ｓ【．　高品贤．测试信号分析处理方法与程序［Ｍ］．成都：西　南交通大学出版社，１９９９．　周新祥．噪声控制技术及其新进展［Ｍ］．北京：冶金工　～¨器室ｏ￣－，ｚ“董　业出版社．２００７．　…　霉至２－手测点　一客室４号测点　史君成，张淑伟，律淑珍．ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ虚拟仪器设计　…器室６号测最　～司机室魁董　［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００７．　柏林，王见，秦树人．虚拟仪器及其在机械测试中的应　０　一－ｒ－００　００　，０００００００００００００００００　…　＝叶‘几、。∞三　三暑蜀昌导　譬品星　暑暑　：暑善暑　用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７．　一　ｌＮｎ口　Ｈｚ　程乃平．基于Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的虚拟频谱分析仪设计　［Ｊ］．电子测量技术，２００９（７）：１０９—１１１．　图５速度为２０　ｋｍ／ｈ时客室和司机室的频谱图　张凤均．Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ｃＶＩ开发入门和进阶［Ｍ］．北京：　北京航空航天大学出版社，２００１．　３．４结论　张瑞亭，赵云生．高速列车的减振降噪技术［Ｊ］．国外　通过上述计算声压级，可以得出地铁车内噪声声压大　铁道车辆，２００５（２）：１０—１６．　小，而通过频谱图可以知道地铁车内噪声能量集中区域的噪　马大猷．噪声与振动控制ｚ－程手册［Ｍ］．北京：机械工　声，从而对改进地铁车内噪声做出指导　。　业出版社。２００２．　参考文献：　（责任编辑周江川）　［１］　ＩＳＯ　３３８　１—２００５，Ｒａｉｌｗａｙ—Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ—Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ—Ｍｅａｓ—　ｒ７　　１