空气中目标声场建模与软件实现
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摘要
在开发针对低空飞行及地面机动目标的声被动定位系统时，常常需要进行多次外场实验，以得到不同运动状态下以及不同声场环境中阵列接收到的数据，从而检测系统的准确性和可靠性。显然这将耗费大量的人力、物力，并且由于环境参数的变化，采集的数据很难满足系统的各种情况需求。本论文通过一套软硬件系统，实现了基阵接收到直升机辐射噪声的仿真。此仿真系统可以设定各种参数以模拟产生具有特定频率特性的直升机辐射噪声，按照直升机飞行参数的设定和环境参数的设定产生基阵接收到的数据。数据产生后，可以对仿真数据进行时频域分析，估计出各阵元接收数据间的相对时延，进而估计出目标的方位。仿真系统的环境参数涉及真实环境的各个方面，可以在最大程度上逼近各种真实坏境。软件用功能强大的Visual C++语言编程实现，界面友好，各种参数可以手动改写，方便用户构造各种特定的仿真环境。利用此仿真系统得到的数据在很大程度上可以替代外场实验的实测数据，在理论设计阶段对系统进行各种性能的评价，节约人力、物力资源。
本文的主要工作包括：
1、研究了直升机及地面装甲车的声场特征。结合实测数据，分析了这两种目标噪声的时域、频域特征。研究了影响目标噪声传播的因素：空气温度、湿度、风速、风向及大气中的雨雪等。建立了目标噪声信号传播和衰减的数学模型。
2、研究了用于接收目标噪声的阵列阵元特征，建立了阵列的位置误差模型，阵元幅度、相位误差模型，并基于这些模型接收目标噪声。结合用于估计各阵元上接收的噪声信号间相对时延的广义互相关算法的影响因素，给出了基于高采样率的各个阵元上精确时延信号的产生方法。
3、讨论了面向对象编程语言的优越性。结合软件工程，给出了在上述理论和数学模型基础上的软件设计方法，给出了仿真系统硬件部分的设计和使用方案。设计出目标运动状态仿真、目标时频域分析、阵元间时延估计、目标方位估计及数据D／A输出模块。
4、给出目标噪声的组成成分不同情况下，不同环境参数下的仿真实例。分析了仿真实例的时域通过特性和频域功率谱特性，估计出其他阵元上接收到数据相对于一号阵元的时延，并根据估计出来的时延，得出目标的水平方位角和俯仰角。
When develop passive acoustic localization system directed mainly at targets flying low and maneuver targets on the ground, in order to gain data received by array elements under different motion states and acoustic field to demonstrate system reliability and accuracy, it needs large number of out-field experiments. Obviously, it will take up considerable of human and non-human sources. Moreover, the data received by array can hardly satisfy every requirement for varying environment parameters. The paper simulates the system of array receiving helicopter radiate noise is achieved by designing a system including hard ware and soft ware. By setting several parameters, the simulation system simulates the specific frequency helicopter radiate noise and data received by array elements according to specific environment and given flight route. After creating simulation data, it can analyze data in frequency field and estimate time-delay between every two elements data to gain orientation angles of target. The environment parameters of the simulation system include every aspect, therefore it can approximate real environment as far as possible. The system developed with Visual C++ language including powerful functions, provides a user- friendly interface and several parameters that can be changed at will, to facilitate simulating all kind of acoustic field environment. The data simulated by the simulation system can replace outfield experimentation data mostly, so it can economize large numbers of manpower and material resources, assess several system performances in theory design phase, and shorten research period.
The main works are as follows:
1. Study the acoustic field character of helicopter and armored car. Combining with measured data, analyze time-field and frequency-field characters of this two kinds acoustic signal. Study on several factors influent the targets acoustic signal's transmission such as: air temperature, air humidity, wind velocity, wind direction, rain and snow. Build target acoustic signal's transmission and attenuation math model.
2. Study character of the array elements receiving target signal. Build locality error model, element scope and phase response model, moreover, receive target signal with these models. Then combining the factors that influent generalized cross correlation algorithm estimating the time delay between two element received data, a method basing on high sample, which is used to create element received high accuracy time delay between two elements data, is brought forward.
3. Discuss object-oriented programming language's merits, combining software
本文的主要工作包括：
1、研究了直升机及地面装甲车的声场特征。结合实测数据，分析了这两种目标噪声的时域、频域特征。研究了影响目标噪声传播的因素：空气温度、湿度、风速、风向及大气中的雨雪等。建立了目标噪声信号传播和衰减的数学模型。
2、研究了用于接收目标噪声的阵列阵元特征，建立了阵列的位置误差模型，阵元幅度、相位误差模型，并基于这些模型接收目标噪声。结合用于估计各阵元上接收的噪声信号间相对时延的广义互相关算法的影响因素，给出了基于高采样率的各个阵元上精确时延信号的产生方法。
3、讨论了面向对象编程语言的优越性。结合软件工程，给出了在上述理论和数学模型基础上的软件设计方法，给出了仿真系统硬件部分的设计和使用方案。设计出目标运动状态仿真、目标时频域分析、阵元间时延估计、目标方位估计及数据D／A输出模块。
4、给出目标噪声的组成成分不同情况下，不同环境参数下的仿真实例。分析了仿真实例的时域通过特性和频域功率谱特性，估计出其他阵元上接收到数据相对于一号阵元的时延，并根据估计出来的时延，得出目标的水平方位角和俯仰角。
When develop passive acoustic localization system directed mainly at targets flying low and maneuver targets on the ground, in order to gain data received by array elements under different motion states and acoustic field to demonstrate system reliability and accuracy, it needs large number of out-field experiments. Obviously, it will take up considerable of human and non-human sources. Moreover, the data received by array can hardly satisfy every requirement for varying environment parameters. The paper simulates the system of array receiving helicopter radiate noise is achieved by designing a system including hard ware and soft ware. By setting several parameters, the simulation system simulates the specific frequency helicopter radiate noise and data received by array elements according to specific environment and given flight route. After creating simulation data, it can analyze data in frequency field and estimate time-delay between every two elements data to gain orientation angles of target. The environment parameters of the simulation system include every aspect, therefore it can approximate real environment as far as possible. The system developed with Visual C++ language including powerful functions, provides a user- friendly interface and several parameters that can be changed at will, to facilitate simulating all kind of acoustic field environment. The data simulated by the simulation system can replace outfield experimentation data mostly, so it can economize large numbers of manpower and material resources, assess several system performances in theory design phase, and shorten research period.
The main works are as follows:
1. Study the acoustic field character of helicopter and armored car. Combining with measured data, analyze time-field and frequency-field characters of this two kinds acoustic signal. Study on several factors influent the targets acoustic signal's transmission such as: air temperature, air humidity, wind velocity, wind direction, rain and snow. Build target acoustic signal's transmission and attenuation math model.
2. Study character of the array elements receiving target signal. Build locality error model, element scope and phase response model, moreover, receive target signal with these models. Then combining the factors that influent generalized cross correlation algorithm estimating the time delay between two element received data, a method basing on high sample, which is used to create element received high accuracy time delay between two elements data, is brought forward.
3. Discuss object-oriented programming language's merits, combining software
引文
[1] 李杰，李喆，陈文聪．机动目标被动声定位仿真研究．北京理工大学学报，2004：24(6)：549～551
[2] 唐建生，孙超，李斌，空气中任意阵列声被动定向模型的误差分析，西北工业大学学报，2004：22(4)：496-499．
[3] 张翼鹏．直升机水下噪声建模与分析．西北工业大学硕士论文，2004：51-61
[4] 梁蕻，直升机目标信号建模与预警识别系统，北京：北京理工大学硕士论文，2000；
[5] 刘云，列车运行仿真系统的建模与实现，铁道学报，1999：9(17)：20-26
[6] 孙传福，从海湾战争论发展防直升机地雷的必要性，工兵装备研究，1993：3：29-33
[7] 贾云得，冷树林等．一种简易被动直升机定位系统，北京理工大学学报，2003：3：338-342
[8] 徐贵英，反直升机声引信的声传播问题，现代引信，1997；3：38-41
[9] 祝龙石，庄志烘，张清泰，陈如山，战场声目标噪声特性分析，现代引信，1996：2：57-61
[10] 石践，胡延平，李广森，被动声定位的一种时延模型，声学与电子工程，1997；3：9-11
[11] 吴喜录等，直升机目标定位系统分析，南京理工大学学报，1996：6：521-524
[12] 钱进，一种实现目标定位与跟踪的新方法，声学技术，1996，3：119-122
[13] 张元，被动声探测技术研究，南京：南京理工大学博士论文，1996：
[14] 孙建伟，谭惠民，多目标背景下的被动声测向技术研究，北京理工大学学报，1998：18(5)：605—610
[18] 李国罡，石岩，胡昌振，被动声探测系统的时间延迟估计技术，现代引信1998：2：17-22
[19] 黄建人，基于声程差的多通道广义相关时延估计及其DSP实现，声学学报，1996；21(3)：280-285
[20] 季茂荣，温蓉，王伟策，机动目标的噪声识别和定位系统的研究，应用声学，1997：16(1)：40-42
[21] 孙建伟，谭惠民，胡昌振，直升机目标被动声跟踪算法及其仿真研究，探测与控制学报，1999：2l(2)43-47[22] 刘藻珍，魏华梁，系统仿真，北京，北京理工大学出版社，1998；
[23] 陈宗海，过程系统建模与仿真，合肥，中国科技大学出版社，1997；
[25] 贾云得，冷树林，刘万春，裴洪安，四元被动声敏感阵列定位模型分析和仿真，兵工学报，200l：22(2)：206-209
[26] 张亚，刘炳胜，李科杰，声目标的定位与识别，测试技术学报，1996；10(2)：309-313
[27] 滕鹏晓，近地大气中多声源的声探测定位技术研究，南京：南京理工大学硕士论文，2004：
[28] 任晓峰，被动声定位系统算法研究及计算机仿真，哈尔滨：东北大学硕士论文，2002；
[29] 陈华伟，低空目标声测被动定向技术研究，西安：西北工业大学硕士论文，2002；
[30] 曹国强，声定位系统及其数字信号处理技术的研究，南京：南京理工大学硕士论文，2001；
[31] 任天令，张林涛，一种新型集成微麦克风和扬声器的设计，电子器件，2000：23(4)：233-237
[32] 吴卫，反辐射导弹武器系统仿真研究，西安：西北工业大学硕士论文，2001；
[33] 熊昀，直升机机动飞行科目仿真，南京：南京航空航天大学硕士论文，2002；
[34] 倪明，陈哲等，战场背景下声信号的目标识别技术，压电与声光，1999：21(3)：178-180
[35] 陈守稳，顾尔顺，被动定位算法研究，现代防御技术，1998；26(5)：17-22
[36] 祝龙石，庄志洪，张清泰，利用圆阵实现声目标的全空域被动定位，声学学报，1999：24(2)：204-209
[37] 王昭，李宏、赵俊渭、李京华，施坤林，空气声被动定位的误差分析，应用声学，2000：19(2)：39-43
[38] 贾沛璋，对运动声源的被动定位跟踪新方法，控制理论与应用，1996：13(4)：417-425
[39] 王昭，陈钟，赵俊渭、施坤林，空中运动目标时变时延估计方法的仿真研究，系统仿真学报，2002：14(8)：1049-1052
[40] 吴喜录、陈庆生、张元、程翔 目标声定位时延估计的对比研究，现代引信，1996：4：7-10
[41] 李永红，智能雷弹声定位及其数字仿真，南京：南京理工大学硕士论文，1996；
[42] 蒋伯峰，王文杰，殷勤业，适用于任意阵列的多径信道二维方向角与相对时延的联合估计方法，电子学报，2002，12(28)：1-4[43] 邱红兵，韩峰，反直升机智能雷随动系统仿真设计，兵工自动化，1999：4：33-35
[44] 陈华伟，赵俊渭，蔡宗义，许学忠，两种声学阵列的定向精度分析与仿真，声学与电子工程，2001：3：6-11
[45] 王昭，小基阵高精度声测被动定位的研究，西安：西北工业大学博士学位论文，1999：
[46] 张元，被动声探测技术研究—反直升机雷弹引信跟踪与识别技术，南京：南京理工大学博士学位论文，1996
[47] 杨亦春，程翔，陈庆生，智能雷弹被动声定位精度问题，弹道学报，1999：11(3)：8-13
[48] 吴喜录，陈庆生，张元，程翔，直升机目标声定位系统分析，南京理工大学学报，1996：20(6)：521-524
[49] 栗苹．战场声探测技术．北京：北京理工大学博士学位论文，1995．
[50] 孙建伟，谭惠民，胡昌振，直升机目标被动声跟踪算法及其仿真研究，探测与控制学报，1999：21(2)：43-47
[51] 栗苹，施聚生，崔占忠，被动声定位系统的设计与应用，北京理工大学学报，1994：14(S1)：80-85
[52] 陈华伟，赵俊渭，郭业才，五元十字阵被动声定位算法及其性能研究．2003：25(4)：11-16
[53] Hull, David M. Vinci, Stephen J, Passive aircraft detection and noncooperative helicopter identification using extremely low frequency (ELF) electric field sensors, Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 1999; 134-145
[54] George Papadopoulos, Kostas Efstathiou, Yiqi Li, Development of a passive acoustic system for real time source detection, tracking and recognition, Industrial Electronics, Proceedings of the IEEE International Symposium, 1992; 1(25):460-463
[55] Anthony Quach, Kam Lo, Automatic target detection using a ground-based passive acoustic sensor, Information, Decision and Control, 1999. IDC 99. Proceedings. 1999; 187-192
[56] Pasi Pertila, Mikko Parviainen, Teemu Korhonen, Ari Visa, A Spatiotemporal Approach to Passive Sound Source Localization, International Symposium on Communications and Information Technologies. 2004; 10(26): 1150-1154
[57] Wen Ma, Jianguo Huang, Accurate time delay estimation based on sinc filtering, Signal Processing, 2002 6th International Conference 2002; 2(26): 1621-1624[58] Jerry D. Gibson, Boneung Koo, Steven D.Gray, Filtering of colored noise for speech enhancement and coding, IEEE transactions on signal processing, 1991; 39(8): 1732-1742
[59] Azizul H.Quazi, Passive localization of a target, OCEANS '91. 'Ocean Technologies and Opportunities in the Pacific for the 90's', Proceedings 1991; 10(1): 1468-1471
[60] Xiang-Dong Liu, He Zhang, Xiang Cheng, Research and simulation on separating multi-target with anti-helicopter mine, Proceedings of the Third International Conference on machine learing and cybernetics, Shang hai, 2004; 8(26): 923-925
[61] Zhiping Lin, Detection of helicopter signals using cyclostationarity, Acoustics, Speech, and Signal Processing International Conference, 1995; 5(9): 1952-1955
[62] W. A. Gardner, Exploitation of spectral redundancy in cyclostationary signals, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 8, Apri. 1991, pp. 14-36,
[63] M. Feder, Parameter estimation and extraction of helicopter signals observed with a wide-band interference, IEEE trans. Signal Processing, 1993; 41 (1): 232-244,
[64] R. F. Dwyer, Extraction of helicopter-radiated noise by frequency domain, J. Acoust. Soc. Amer, 1985; 78(1): 95-99,
[65] Harrell. C, Process simulation vs. system simulation, Information Technology Conference. 1998; 9(1): 41-44
[66] Zhou E. Z, Object-oriented programming, C++ and power system simulation, Power Systems, IEEE Transactions, 1996; 11 (1): 206-215
[67] R. Kumaresan, D. W. Tufts, Estimating the angles of arrival of Multiple plane waves, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Svst, 1983; 1(19): 134-139
[68] David J．Kruglinski Scot Wingo and George Shepherd，Visual C++6.0技术内幕，北京希望电子出版社，2002：
[69] Jeffrey Richeg Windows核心编程，机械工业出版社，2004：
[70] 章霆芳，章伯其，湿空气饱和水蒸气压与温度关系式的选用，制冷与空调，2005．3，23-26；
[2] 唐建生，孙超，李斌，空气中任意阵列声被动定向模型的误差分析，西北工业大学学报，2004：22(4)：496-499．
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[8] 徐贵英，反直升机声引信的声传播问题，现代引信，1997；3：38-41
[9] 祝龙石，庄志烘，张清泰，陈如山，战场声目标噪声特性分析，现代引信，1996：2：57-61
[10] 石践，胡延平，李广森，被动声定位的一种时延模型，声学与电子工程，1997；3：9-11
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[21] 孙建伟，谭惠民，胡昌振，直升机目标被动声跟踪算法及其仿真研究，探测与控制学报，1999：2l(2)43-47[22] 刘藻珍，魏华梁，系统仿真，北京，北京理工大学出版社，1998；
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[26] 张亚，刘炳胜，李科杰，声目标的定位与识别，测试技术学报，1996；10(2)：309-313
[27] 滕鹏晓，近地大气中多声源的声探测定位技术研究，南京：南京理工大学硕士论文，2004：
[28] 任晓峰，被动声定位系统算法研究及计算机仿真，哈尔滨：东北大学硕士论文，2002；
[29] 陈华伟，低空目标声测被动定向技术研究，西安：西北工业大学硕士论文，2002；
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[37] 王昭，李宏、赵俊渭、李京华，施坤林，空气声被动定位的误差分析，应用声学，2000：19(2)：39-43
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[40] 吴喜录、陈庆生、张元、程翔 目标声定位时延估计的对比研究，现代引信，1996：4：7-10
[41] 李永红，智能雷弹声定位及其数字仿真，南京：南京理工大学硕士论文，1996；
[42] 蒋伯峰，王文杰，殷勤业，适用于任意阵列的多径信道二维方向角与相对时延的联合估计方法，电子学报，2002，12(28)：1-4[43] 邱红兵，韩峰，反直升机智能雷随动系统仿真设计，兵工自动化，1999：4：33-35
[44] 陈华伟，赵俊渭，蔡宗义，许学忠，两种声学阵列的定向精度分析与仿真，声学与电子工程，2001：3：6-11
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[68] David J．Kruglinski Scot Wingo and George Shepherd，Visual C++6.0技术内幕，北京希望电子出版社，2002：
[69] Jeffrey Richeg Windows核心编程，机械工业出版社，2004：
[70] 章霆芳，章伯其，湿空气饱和水蒸气压与温度关系式的选用，制冷与空调，2005．3，23-26；