人工增雨火箭弹爆炸声程差采集系统设计

王晓甜，毛永毅

（西安邮电大学电子工程学院，陕西西安 710061）

随着科学技术的发展，人工增雨已成为缓解旱情、解决水资源紧缺和减轻天气自然灾害的一种重要的手段和方法[1-8]。为了有效地评估人工增雨作业效果，确定增雨火箭弹爆炸位置非常重要。采用人工观察的方法获取增雨火箭弹爆炸位置精度较低，此外还会因为天气等因素的影响造成位置判断失误。利用增雨火箭弹爆炸声程差对增雨火箭弹的爆炸位置进行定位是一种有效、可靠的方法。

常用的声源定位方法有AOA（Angle of Arrival，到达角度）、RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示）、TOA（Time of Arrival，到达时间）、TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）等方法[9-16]。TDOA 定位方法与其他方法相比，对各个声音接收单元的同步性要求较低，硬件系统易于实现。人工增雨火箭弹炸点TDOA 定位方法的核心是获取声程差（声音到达时间差），因此开发性价比高的火箭弹爆炸声程差采集系统有着重要的意义。

1 系统方案及实现

基于TDOA 人工增雨火箭弹炸点定位方法的核心就是对爆炸声音传播时延进行准确的估计，通过布置一定数量的特性一致的声传感器单元采集同一爆炸声源，然后利用各个声传感器单元采集到的炸声信号到达的时间差，经过相关计算就可以获得爆炸声源的位置。采用这种方法不需要保持爆炸声源与各个声传感器单元时间同步，只需要使各个声传感器单元时间保持一致即可，这也使得炸点定位系统的实现难度降低。三维空间炸点定位时，至少需要4 个声传感器单元才能够进行炸点声源位置估算。系统设计框图如图1 所示。系统由N（N≥4）个声传感器单元和上位机控制单元组成。上位机单元由PC 机、路由器和防火墙等模块构成。传感器单元以STM32F104ZET6 为核心，由传声器及信号处理模块、北斗/GPS 导航授时模块、4G 无线传输模块、键盘与显示模块和电源模块等构成。

图1 系统设计框图

增雨火箭弹炸声通过传声器及信号处理模块传送给STM32F104ZET6 单片机触发中断响应，单片机读取北斗/GPS 导航授时模块的时间信息获得炸声到达时刻并通过4G 无线传输模块将炸声到达时刻数据传送给PC 机。PC 机计算两两传感器单元之间的炸声到达时刻之差，即获得火箭弹爆炸声程差TDOA 值，可用于人工增雨火箭弹炸点定位。

2 传感器单元硬件设计

2.1 微处理器主控电路设计

微处理器采用STM32F103ZET6 处理器模块。STM32F103ZET6 是基于Cortex-M3 内核的32 位微处理器，工作频率最高为73 MHz，内置闪存程序存储器高达64 K，内置8 MHz 的RC 振荡器，自带2 个12 bit AD，3 个USART 接口，两个I2C 和SPI 接口，一个USB接口和CAN 可接口，一个PWM 定时器和3 个通用16位定时器。

STM32F103ZET6 主控电路具有较强的数据处理能力及丰富的外围设备接口，负责接收火箭弹炸声信号，获取北斗/GPS 导航授时模块的时间信息、通过4G 网络接收控制指令、通过4G 网络传送炸声到达时刻和炸声声强等数据。

2.2 传声器信号处理电路设计

传声器信号处理电路工作原理如图2 所示。传声器选用全范围指向，传输距离可达3 000 m 的烽火HD-18C 拾音器。HD-18C 拾音器内部采用DSP 数字降噪，具有AGC 自动增益控制、ALC 自动电平控制等功能。

图2 传声器信号处理电路

HD-18C 拾音器工作的动态范围为0～65 dB，具有抗雷击保护、电源极性反转保护以及静电保护等功能。

声音信号调理电路选用美国TI 公司的INA128,它是一种低电压通用型仪表放大器，可以通过一个外接电阻把增益设定为1～10 000，电源工作电压为±2.25 V。INA128 内部由两级放大器串联构成，第一级由两个同相放大器构成，为对称结构，输入信号分别加在A1、A2 的同项输入端。第一级具有很高的共模干扰抑制能力和高输入阻抗。

第二级为差动放大器，它不仅有效地降低了共模干扰，而且将双端输入方式转换成单端输出方式，可以有效地适应对地负载的需要。

INA128的内部噪声很小，当G≥100时，0.1～10 Hz的低频噪声产生的输出的电压大约只有0.2 μV。为了有效减小外部干扰和电源噪声的影响，在实际应用时需要在紧靠电源引脚的地方连接去耦电容器。电路中电阻R1～R4为40 kΩ，R5～R6为25 kΩ。INA128 在实际应用中可以通过外接一个独立的外部电阻RG调整其放大倍数，电路放大倍数为G=1+50 kΩ/RG。输出电压Vo经R7、R8分压后产生Vo1送电压比较器LM328。

当有炸声信号时，Vo1接入LM328 电压比较器同相端，LM328 的2 脚的电压可通过可调电阻R9进行调节。根据比较器的工作原理，当V+＞V-时,LM328 的1 脚就会输出高电平并送至STM32F103ZET6 的PB3 端触发中断，执行中断处理子程序读取北斗/GPS 导航授时模块的时间信息。此外炸声信号接入STM32F103ZET6 的PC0 端，通过AD 采 样 可获得炸声的声强相关数据，为炸点定位提供声强信息。

2.3 北斗/GPS导航授时电路设计

北斗/GPS 导航授时模块选用芯星通公司UM220-III N，该模块采用BD2/GPS 双系统导航、授时，广泛地用于车辆调度与监控、油田采油机监测、电力授时等。UM220 支持单系统独立定位和多系统联合定位。UM220-III N 拥有UART、1PPS 等多种接口，具有可靠性、安全性及授时精度高等特点。UM220-III N工作频率范围为1 559～1 577 MHz，1PPS精度可达20 ns，可以满足火箭弹炸声到达时刻数据测量精度的要求。UM220 通过串口与STM32F103 ZET6 的串口UART1 进行定位授时信息的通信。STM32F103ZET6 与导航模块接口电路如图3 所示。

图3 STM32F103ZET6与导航模块接口电路

2.4 4G无线传输电路设计

4G 模块选用功耗超低的中兴ME3760模块，该模块支持SIM 卡业务、数据传输功能，具有LTE 双模多频等优点。由于ME3760 和STM32F103ZET6 内部都集成有USB2.0 接口，可直接用于4G 模块ME3760 和主控模块之间进行高速数据传输。STM32F103ZET6与4G模块ME3760的接口电路如图4 所示。

图4 STM32F103ZET6与4G模块接口电路

3 传感器单元软件设计

传感器单元软件流程图如图5 所示。STM32F103ZET6 首先进行上电初始化，然后通过对4G 模块进行网络链接检验，判断是否正确建立网络，若成功建立链接后则进入监测状态，否则重新进行网络链接检验。当网络正确连接后，判断是否有炸声信号输入，当PB3 产生中断时，说明有炸声信号输入，此时STM32F103ZET6 通过串口读取北斗/GPS导航授时模块时间信息，对时间信息进行编码，然后通过USB 接口将数据传送给4G 通信模块ME3760，最后通过网络传送给上位机。

图5 传感器单元软件流程图

4 实验测试

该节对设计的系统进行实验测试。测试时采用高音扬声器代替爆炸声源进行了测试。为验证实验的可靠性和精度，判断炸声是否触发系统读取时间信息，选取了不同声强信号分别进行50 次实验并对比分析，测试结果如表1 所示。实验表明，系统对大于40 dB 的声强能够有效地进行识别和读取时间信息，完成声程差数据采集。

表1 炸声识别率实验记录表

5 结论

文中设计了基于STM32F103ZET6的人工增雨火箭弹声程差采集系统。系统通过STM32F103ZET6检测人工增雨火箭弹爆炸声音，读取北斗/GPS 导航授时模块时间信息，获得炸声到达时刻并传送给上位机，通过上位机计算得出人工增雨火箭弹爆炸声程差，为炸点定位提供数据支持。实验表明，该方法可精确有效地测量人工增雨火箭弹爆炸声程差，系统对大于40 dB 的炸声识别率达到95%以上。