一种可穿戴枪声定位设备的制作方法

1.本发明涉及枪声探测技术领域，具体为一种可穿戴枪声定位设备。


背景技术：

2.目前我国市场没有可穿戴的枪声探测设备，主要原因是无法满足可穿戴的要求(重量、续航、稳定性)下对360度内的枪声的距离和方位进行准确探测，且现在的枪声探测设备，只能通过雷达或者声呐系统，简单的判断枪声的来源，不能提供射击点的方位角、俯仰角、距离以及弹丸飞行弹道、飞行速度、枪械口径等数据。


技术实现要素：

3.(决)解决的技术问题
4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种可穿戴枪声定位设备，解决了目前我国市场没有可穿戴的枪声探测设备，主要原因是无法满足可穿戴的要求(重量、续航、稳定性)下对360度内的枪声的距离和方位进行准确探测，且现在的枪声探测设备，只能通过雷达或者声呐系统，简单的判断枪声的来源，不能提供射击点的方位角、距离以及弹丸飞行弹道、枪械口径等数据的问题。
5.(二)技术方案
6.本发明提供如下技术方案：一种可穿戴枪声定位设备，包括主机和显示，所述主机包括电池、电源管理模块、声音探测单元、电子罗盘和内存，所述显示包括mcu单元、显示屏、指示灯和按键，所述电源的输出端电性连接有电源管理模块的输入端，所述声音探测单元的输出端与所述fpga单元的输入端电性连接，所述内存的输出端与所述fpga单元的输入端之间电性连接，所述fpga单元的输出端与所述mcu单元的输入端之间电性连接，所述mcu单元的输出端与所述显示屏的输入端电性连接，所述mcu单元的输出端与指示灯的输入端之间的电性连接，所述mcu单元的输入端与所述按键的输出端之间电性连接。
7.本发明的进一步设置为：所述fpga单元的输入端与电子罗盘的输出端之间电性连接。
8.本发明的进一步设置为：所述fpga单元包括数据存储模块、弹丸激波检测与识别模块、互相关波达时间差计算模块、弹丸激波来向估计模块、射击点坐标初始估值模块、弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块、膛口冲击波波来向估计模块、互相关波达时间差计算模块、膛口冲击波波检测与识别模块、弹道与枪声信号模型模块、迭代寻优算法模块、射击点坐标最佳估值模块和枪声信号声纹特征数据库模块。
9.枪声信号检测采用短时能量分析获取瞬时信噪比(snr)，结合恒虚警率(cfar)门限检测方法得到枪声候选信号，此项技术因其长期应用于雷达、声呐等主流探测系统，理论和技术都非常成熟，可行性最强。
10.枪声信号识别以弹丸激波和膛口冲击波的能量分布差别为基础，从候选枪声信号中提取声纹特征并与预存的特征参数进行比对，将虚警信号和环境干扰信号剔除，实现弹
丸激波信号与膛口冲击波信号分离。
11.枪声定位基于波达时间差(tdoa)，采用广义互相关法对信号时延值进行估计，大致估算可能的弹径范围、轨迹走向等参数，再结合枪声信号传播模型不断比对实际测量值与模型演算值，进行迭代寻优得到更精确的位置信息。
12.fpga单元，通过编程可实现以下功能：
13.(1)枪声分析，将声音探测单元的信息，与枪声信号声纹特征数据库进行比对，判断声音是否属于枪声；
14.(2)弹丸激波的来向估计，将由滤波单元转换后的声音信息，检测并识别弹丸激波，并计算出互相关被达时间差的结果，估计弹丸激波的来向；
15.(3)弹丸激波与膛口冲击波波达时间差估计，将由滤波单元转换后的声音信息，检测并识别弹丸激波，并通过膛口冲击波波波检测与识别，估计出弹丸激波与膛口冲击波波达时间差；
16.(4)膛口冲击波波来向估计，将由滤波单元转换后的声音信息，经过膛口冲击波波检测与识别后，经过互相关被达时间差计算后，估计出膛口冲击波波来向；
17.(5)弹道与枪声信号模型，将由滤波单元转换后的声音信息，经过弹道参数估计，建立弹道与枪声信号模型；
18.(6)射击点坐标初始估值，根据估计的弹丸激波的来向、估计的弹丸激波与膛口冲击波波达时间差、估计的膛口冲击波波来向和弹道与枪声信号模型的信息结合，分析出射击点初始估值；
19.(7)射击点最佳估值，根据估计的弹丸激波的来向、估计的弹丸激波与膛口冲击波波达时间差、估计的膛口冲击波波来向、枪声信号模型的信息和射击点初始估值等信息，通过迭代寻优算法，分析出射击点左壁最佳估值。
20.本发明的进一步设置为：所述声音探测单元包括信号整理与前置放大模块、16khz模数转换模块、全频带n型波特征分析模块、800hz低通滤波模块和1000hz高通滤波。
21.声音探测单元，通过编程可实现以下功能；
22.(1)信号调理与前置放大；
23.(2)16khz模数转换；
24.(3)全频带n型特征波分析；
25.(4)1000hz高通滤波，将经过16khz模数转换的信息，进行1000hz高通滤波；
26.(5)800hz低通滤波，将经过16khz模数转换的信息，进行800hz低通滤波。
27.本发明的进一步设置为：所述声音探测单元的输出与所述信号调理与前置放大模块的输入端电性连接，所述前置放大模块的输出端与所述16khz模数转换模块的输入端电性连接，所述16khz模数转换模块的输出端与所述全屏带n型波特征分析模块的输入端电性连接，所述全屏带n型波特征分析模块的输出端与所述弹道参数估计模块的输入端之间电性连接，所述弹道参数估计模块的输出端与所述弹道与枪声信号模型模块的输入端电性连接，所述弹道与枪声信号模型模块的输出端与所述迭代寻优算法模块的输入端之间电性连接，所述迭代寻优算法模块的输出端与所述射击点坐标最佳估值模块的输入端之间电性连接，所述射击点坐标最佳估值模块的输出端与所述显示器的输入端之间电性连接，所述16khz模数转换模块的输出端与所述800hz低通滤波模块的输入端之间电性连接，所述
800hz 低通滤波模块的输出端与膛口冲击波波检测与识别模块的输入端之间电性连接，所述膛口冲击波波检测与识别模块的输出端与所述互相关波达时间差计算模块的输入端之间电性连接，所述互相关波达时间差计算模块的输出端与所述膛口冲击波波来向估计模块，所述膛口冲击波波来向估计模块的输出端与所述射击点坐标初始估值模块的输入端之间电性连接，所述膛口冲击波波来向估计模块的输出端与迭代寻优算法模块的输入端之间电性连接，所述16khz模数转换模块的输出端与所述1000hz高通滤波模块的输入端之间电性连接，所述1000hz高通滤波模块的输出端与所述弹丸激波检测与识别模块的输入端之间电性连接，所述弹丸激波检测与识别模块的输出端与所述互相关波达时间差计算模块的输入端之间电性连接，所述互相关波达时间差计算模块的输出端与所述弹丸激波来向估计模块的输入端之间电性连接，所述弹丸激波来向估计模块的输出端与所述射击点坐标初始估值模块的输入端之间电性连接，所述射击点坐标初始估值模块的输出端与所述迭代寻优算法的输入端之间双向电性连接，所述弹丸激波来向估计模块的输出端与迭代寻优算法的输入端之间电性连接，所述弹道与枪声信号模型的输出端与所述射击点坐标初始估值模块的输入端之间电性连接，所述枪声信号声纹特征数据库模块的输出端与所述贪玩激波检测与识别模块的输入端之间电性连接是，枪声信号声纹特征数据库模块的输出端与所述膛口冲击波波检测与识别模块的输入端，所述膛口冲击波波检测与识别模块的输出端与所述弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块之间电性连接，所述弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块的输出端与所述射击点坐标初始估值模块的输入端电性开炼机，所述弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块的输出端与所述迭代寻优算法的输入端之间电性连接，所述弹丸激波检测与识别模块的输出端与所述弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块的输入端之间电性连接。
28.本发明的进一步设置为：所述声音探测单元包括八个数字麦克风，抗干扰能力强，功耗低，整体重量轻。
29.(三)有益效果
30.与现有技术相比，本发明提供了一种可穿戴枪声定位设备，具备以下有益效果：
31.(1)该可穿戴枪声定位设备，发挥了fpga响应时间短和数据并行处理能力强的特点，尤其需要应对高射速连续的枪声信号的情况时，fpga仍然可以达到满意的测量效果，且测向稳定。
32.(2)该可穿戴枪声定位设备，fpga的低功耗性能对嵌入式产品的研发十分重要，可以满足穿戴式枪声探测器的轻质化要求，同时保证了野外作战的工作时长。
33.(3)该可穿戴枪声定位设备，具有良好的扩展性。随着智慧城市的加速发展，枪声探测系统也将与多种智能系统对接。fpga可以重新配置资源，软件升级灵活，便于适应广泛的应用需求。
34.(4)该可穿戴枪声定位设备，枪声信号检测采用短时能量分析获取瞬时信噪比(snr)，结合恒虚警率(cfar)门限检测方法得到枪声候选信号，此项技术因其长期应用于雷达、声呐等主流探测系统，理论和技术都非常成熟，可行性最强，枪声信号识别以弹丸激波和膛口冲击波的能量分布差别为基础，从候选枪声信号中提取声纹特征并与预存的特征参数进行比对，将虚警信号和环境干扰信号剔除，实现弹丸激波信号与膛口冲击波信号分离，枪声定位基于波达时间差(tdoa)，采用广义互相关法对信号时延值进行估计，大致估算可
能的弹径范围、轨迹走向等参数，再结合枪声信号传播模型不断比对实际测量值与模型演算值，进行迭代寻优得到更精确的位置信息。
35.(5)该可穿戴枪声定位设备，以fpga作为核心开发板，采用4 路传声器阵列声测单元获取声信号，通过一系列的滤波算法、声纹识别等信号处理单元，经过大量反复的建模迭代寻优计算出射击点的方位角、俯仰角、距离以及弹丸飞行弹道、飞行速度、枪械口径等数据，利用串口或无线通信协议传输给屏显系统或云端，为后续应用提供依据。
36.(6)该可穿戴枪声定位设备，可以快速确定狙击点的方位、距离、所用枪械口径等信息，有效探测敌方隐蔽火力点。系统配合便携装具、固定支架、显控终端、无线传输等设备可配置成穿戴式、固定式、车载式枪声探测器，应用于单兵作战、系统指挥等多种安防、反恐行动场合，可直接响应作战也可作为战略统筹导引，是提升作战效能、执法效率的有力手段。
37.(7)该可穿戴枪声定位设备，采用8颗数字麦克风采集枪声信号，抗干扰能力强，功耗低，整体重量轻，使用fpga对声音信号进行处理计算后，将枪声的距离和方位信息进行输出显示，用数字麦克风，抗干扰能力提高；使用低功耗的fpga显示屏，降低功耗、提升续航；使用电子罗盘，在标准坐标系下，显示方位可以根据姿态自动调整，能极大的缩小系统硬件体积，方便用户携带使用。
附图说明
38.图1为本发明的结构示意图；
39.图2为本发明的系统框图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.请参阅图1-2，一种可穿戴枪声定位设备，包括主机和显示，所述主机包括电池、电源管理模块、声音探测单元、电子罗盘和内存，所述显示包括mcu单元、显示屏、指示灯和按键，所述电源的输出端电性连接有电源管理模块的输入端，所述声音探测单元的输出端与所述fpga单元的输入端电性连接，所述内存的输出端与所述fpga单元的输入端之间电性连接，所述fpga单元的输出端与所述mcu单元的输入端之间电性连接，所述mcu单元的输出端与所述显示屏的输入端电性连接，所述mcu单元的输出端与指示灯的输入端之间的电性连接，所述mcu单元的输入端与所述按键的输出端之间电性连接。
42.本发明的进一步设置为：所述fpga单元的输入端与电子罗盘的输出端电性连接。
43.本发明的进一步设置为：所述fpga单元包括数据存储模块、弹丸激波检测与识别模块、互相关波达时间差计算模块、弹丸激波来向估计模块、射击点坐标初始估值模块、弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块、膛口冲击波波来向估计模块、互相关波达时间差计算模块、膛口冲击波波检测与识别模块、弹道与枪声信号模型模块、迭代寻优算法模块、射击点坐标最佳估值模块和枪声信号声纹特征数据库模块。
44.枪声信号检测采用短时能量分析获取瞬时信噪比(snr)，结合恒虚警率(cfar)门限检测方法得到枪声候选信号，此项技术因其长期应用于雷达、声呐等主流探测系统，理论和技术都非常成熟，可行性最强。
45.枪声信号识别以弹丸激波和膛口冲击波的能量分布差别为基础，从候选枪声信号中提取声纹特征并与预存的特征参数进行比对，将虚警信号和环境干扰信号剔除，实现弹丸激波信号与膛口冲击波信号分离。
46.枪声定位基于波达时间差(tdoa)，采用广义互相关法对信号时延值进行估计，大致估算可能的弹径范围、轨迹走向等参数，再结合枪声信号传播模型不断比对实际测量值与模型演算值，进行迭代寻优得到更精确的位置信息。
47.fpga单元，通过编程可实现以下功能：
48.(8)枪声分析，将声音探测单元的信息，与枪声信号声纹特征数据库进行比对，判断声音是否属于枪声；
49.(9)弹丸激波的来向估计，将由滤波单元转换后的声音信息，检测并识别弹丸激波，并计算出互相关被达时间差的结果，估计弹丸激波的来向；
50.(10)弹丸激波与膛口冲击波波达时间差估计，将由滤波单元转换后的声音信息，检测并识别弹丸激波，并通过膛口冲击波波波检测与识别，估计出弹丸激波与膛口冲击波波达时间差；
51.(11)膛口冲击波波来向估计，将由滤波单元转换后的声音信息，经过膛口冲击波波检测与识别后，经过互相关被达时间差计算后，估计出膛口冲击波波来向；
52.(12)弹道与枪声信号模型，将由滤波单元转换后的声音信息，经过弹道参数估计，建立弹道与枪声信号模型；
53.(13)射击点坐标初始估值，根据估计的弹丸激波的来向、估计的弹丸激波与膛口冲击波波达时间差、估计的膛口冲击波波来向和弹道与枪声信号模型的信息结合，分析出射击点初始估值；
54.(14)射击点左壁最佳估值，根据估计的弹丸激波的来向、估计的弹丸激波与膛口冲击波波达时间差、估计的膛口冲击波波来向、枪声信号模型的信息和射击点初始估值等信息，通过迭代寻优算法，分析出射击点左壁最佳估值。
55.本发明的进一步设置为：所述滤波单元包括信号整理与前置放大模块、16khz模数转换模块、全频带n型波特征分析模块、800hz低通滤波模块和1000hz高通滤波。
56.声音探测单元，通过编程可实现以下功能；
57.(6)信号调理与前置放大；
58.(7)16khz模数转换；
59.(8)全频带n型特征波分析；
60.(9)1000hz高通滤波，将经过16khz模数转换的信息，进行1000hz高通滤波；
61.(10)800hz低通滤波，将经过16khz模数转换的信息，进行800hz低通滤波。
62.本发明的进一步设置为：所述声音探测单元的输出与所述信号调理与前置放大模块的输入端电性连接，所述前置放大模块的输出端与所述16khz模数转换模块的输入端电性连接，所述16khz模数转换模块的输出端与所述全屏带n型波特征分析模块的输入端电性连接，所述全屏带n型波特征分析模块的输出端与所述弹道参数估计模块的输入端之间电
性连接，所述弹道参数估计模块的输出端与所述弹道与枪声信号模型模块的输入端电性连接，所述弹道与枪声信号模型模块的输出端与所述迭代寻优算法模块的输入端之间电性连接，所述迭代寻优算法模块的输出端与所述射击点坐标最佳估值模块的输入端之间电性连接，所述射击点坐标最佳估值模块的输出端与所述显示器的输入端之间电性连接，所述16khz模数转换模块的输出端与所述800hz低通滤波模块的输入端之间电性连接，所述800hz 低通滤波模块的输出端与膛口冲击波波检测与识别模块的输入端之间电性连接，所述膛口冲击波波检测与识别模块的输出端与所述互相关波达时间差计算模块的输入端之间电性连接，所述互相关波达时间差计算模块的输出端与所述膛口冲击波波来向估计模块，所述膛口冲击波波来向估计模块的输出端与所述射击点坐标初始估值模块的输入端之间电性连接，所述膛口冲击波波来向估计模块的输出端与迭代寻优算法模块的输入端之间电性连接，所述16khz模数转换模块的输出端与所述1000hz高通滤波模块的输入端之间电性连接，所述1000hz高通滤波模块的输出端与所述弹丸激波检测与识别模块的输入端之间电性连接，所述弹丸激波检测与识别模块的输出端与所述互相关波达时间差计算模块的输入端之间电性连接，所述互相关波达时间差计算模块的输出端与所述弹丸激波来向估计模块的输入端之间电性连接，所述弹丸激波来向估计模块的输出端与所述射击点坐标初始估值模块的输入端之间电性连接，所述射击点坐标初始估值模块的输出端与所述迭代寻优算法的输入端之间双向电性连接，所述弹丸激波来向估计模块的输出端与迭代寻优算法的输入端之间电性连接，所述弹道与枪声信号模型的输出端与所述射击点坐标初始估值模块的输入端之间电性连接，所述枪声信号声纹特征数据库模块的输出端与所述贪玩激波检测与识别模块的输入端之间电性连接是，枪声信号声纹特征数据库模块的输出端与所述膛口冲击波波检测与识别模块的输入端，所述膛口冲击波波检测与识别模块的输出端与所述弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块之间电性连接，所述弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块的输出端与所述射击点坐标初始估值模块的输入端电性开炼机，所述弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块的输出端与所述迭代寻优算法的输入端之间电性连接，所述弹丸激波检测与识别模块的输出端与所述弹丸激波与膛口冲击波波达到时间差估计模块的输入端之间电性连接。
63.本发明的进一步设置为：所述声音探测单元包括八个数字麦克风。
64.综上所述，该可穿戴枪声定位设备，发挥了fpga响应时间短和数据并行处理能力强的特点，尤其需要应对高射速连续的枪声信号的情况时，fpga仍然可以达到满意的测量效果，且测向稳定。
65.该可穿戴枪声定位设备，fpga的低功耗性能对嵌入式产品的研发十分重要，可以满足穿戴式枪声探测器的轻质化要求，同时保证了野外作战的工作时长。
66.该可穿戴枪声定位设备，具有良好的扩展性。随着智慧城市的加速发展，枪声探测系统也将与多种智能系统对接。fpga可以重新配置资源，软件升级灵活，便于适应广泛的应用需求。
67.该可穿戴枪声定位设备，枪声信号检测采用短时能量分析获取瞬时信噪比(snr)，结合恒虚警率(cfar)门限检测方法得到枪声候选信号，此项技术因其长期应用于雷达、声呐等主流探测系统，理论和技术都非常成熟，可行性最强，枪声信号识别以弹丸激波和膛口冲击波的能量分布差别为基础，从候选枪声信号中提取声纹特征并与预存的特征参数进行
比对，将虚警信号和环境干扰信号剔除，实现弹丸激波信号与膛口冲击波信号分离，枪声定位基于波达时间差(tdoa)，采用广义互相关法对信号时延值进行估计，大致估算可能的弹径范围、轨迹走向等参数，再结合枪声信号传播模型不断比对实际测量值与模型演算值，进行迭代寻优得到更精确的位置信息。
68.该可穿戴枪声定位设备，以fpga作为核心开发板，采用4路传声器阵列声测单元获取声信号，通过一系列的滤波算法、声纹识别等信号处理单元，经过大量反复的建模迭代寻优计算出射击点的方位角、俯仰角、距离以及弹丸飞行弹道、飞行速度、枪械口径等数据，利用串口或无线通信协议传输给屏显系统或云端，为后续应用提供依据。
69.该可穿戴枪声定位设备，可以快速确定狙击点的方位、距离、所用枪械口径等信息，有效探测敌方隐蔽火力点。系统配合便携装具、固定支架、显控终端、无线传输等设备可配置成穿戴式、固定式、车载式枪声探测器，应用于单兵作战、系统指挥等多种安防、反恐行动场合，可直接响应作战也可作为战略统筹导引，是提升作战效能、执法效率的有力手段。
70.该可穿戴枪声定位设备，采用8颗数字麦克风采集枪声信号，使用fpga对声音信号进行处理计算后，将枪声的距离和方位信息进行输出显示，用数字麦克风，抗干扰能力提高；使用低功耗的fpga显示屏，降低功耗、提升续航；使用电子罗盘，在标准坐标系下，显示方位可以根据姿态自动调整，能极大的缩小系统硬件体积，方便用户携带使用。
71.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
72.本技术文件中使用到的标准零件均可以从市场上购买，而且根据说明书和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中常规的型号，而且电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再作出具体叙述，同时该文中出现的电器元件均与外界的主控制器及市电电连接，说明书中提到的外设控制器可为本文提到的电器元件起到控制作用，而且该外设控制器为常规的已知设备。
73.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。