一种基于声音定位的激光武器系统

刘海江（北京微电子技术研究所，北京，100076）

一种基于声音定位的激光武器系统

刘海江
（北京微电子技术研究所，北京，100076）

本文开发了一套基于声音定位的激光武器系统，能快速、准确地将狙击手定位。本方案中适用了麦克风阵列，利用声音到达麦克的时间差计算出声源位置，然后控制激光照射声源，完成了基于声音定位的激光武器系统。

声音定位；激光武器；AD9744

1 研究领域与现状

1.1 领域

狙击手主要采用定点射击的射击方式,其周围不配备支援或辅助火力。目前,伊拉克、索马里、海地等地区经常出现狙击事件,这些狙击手多数没有经过专业训练，没有很高的射击技术，但即便是这些“客串”的狙击手,也使处在明面上的正规部队心惊胆战。不论是常规作战还是特种作战及维和行动,参战士兵都将面临着敌对方狙击手的威胁。北约维和部队到达波斯尼亚后的第一周里,就出现过9次狙击事件。频繁发生的狙击事件对整个维和部队产生了不良影响,使官兵处于紧张的心理状态下。

本系统旨在制作一套基于声音定位的激光武器系统，将声音定位技术和激光武器技术结合在一起，实现了对狙击手进行定位并且反击的系统。

1.2 需求

在战争条件下，特别是巷战中，狙击战术具有战法灵活、作战单位小、战斗效能高等特点,是现代战争中以最少资源达成较高军事效益的手段之一。只有准确、快速地发现并消灭狙击手,才能保障已方的安全。每支作战部队都迫切需求一款反狙击手控测系统来减少本部队的伤亡。

本文所研制的激光战斗系统，能够发现躲藏在隐蔽角落的枪手，并且使用高功率激光对其进行照射，根据激光功率的不同，可以致盲或直接击毙敌人。

这项技术也可应用在搜救、娱乐等方面。例如，声音定位技术可以用于语音降噪、发动机故障判别，激光振镜的控制技术可以用于娱乐或者对歹徒进行非致命击伤。

1.3 现状

本文提出的基于声音定位的激光武器系统在国内尚无公开报道。

国外，美国BBN系统和技术公司开发的“枪弹定位器”声测系统,是通过测量弹丸飞行中的声激波特性来探测弹丸并进行分类的。英国和以色列也都已经研制出反狙击手声探测系统。

但国外的反狙击系统并没有使用激光武器，无法对狙击手进行致盲或击毙。而激光武器系统可以视情况选择击毙或致盲敌人，将狙击手致盲可将其拘捕并且获得有价值的情报。

2 原理方案

本方案设计完成一个基于声音定位的激光武器系统。该系统通过三个摆放于不同位置的声音传感器组成一个声音接收阵列。通过基于Stc12c5a60s2单片机系统来计算声源到达声音传感器的不同时间计算出声源的位置。

在计算出声源位置之后，根据位置的不同，计算出光路。单片机将指令发送给数模拟、转换器芯片AD9744后，由AD9744输出电压，电压再经过驱动器来控制反射镜的角度，进而控制激光的光路，令激光击中声源，总体框图如图1所示。

图1 总体框图

为了完成上述功能，基本的硬件框图如图所示。

图2 硬件设计框图

3 软件设计

软件分为声音定位算法部分、通信部分、AD9744芯片驱动、激光角度控制算法。软件流程图如图3所示。

图3 软件流程图

4 硬件设计

本文使用阵列声音传感器采集声源声音，然后传感器的信号经过数据采集之后，送入处理器中进行计算，通过处理器的计算，求得声源的方位。然后处理器发出攻击信号，启动激光器，激光器的光束出射后，打在两个互相垂直的反射镜上，根据反射镜角度的不同，激光器可以出射到任意方向上去，由此，可以精确的打击到声源位置。反射镜的偏转角度由AD9744进行控制。

蜂鸣器，本文使用蜂鸣器模拟枪声。

图4 电路图

音频信号产生单元电路由2个三极管、2个电阻、一个升压电感构成。电路原理图如图5所示。三极管接成开关电路，当输入高电平时，Q1、Q2导通，Q2集电极输出高电平近5V，经过升压电感后，电压升至50V，用以驱动交流蜂鸣器。为了使蜂鸣器发声频率与环境噪音频率远离，本文设定驱动信号为频率4.5KHz的方波信号，由单片机IO口提供。交流蜂鸣器在4.5KHz，5V信号驱动下发声较小，不利于声音信号收集，故采用升压电路提高驱动电压，使蜂鸣器发声响亮，提高接收单元的信噪比。

声音接收前级处理单元电路由3个三极管、5个电阻和一个隔直电容组成。电路原理图如图所示。电路中利用R1可调电阻调整麦克的供电电压，从而控制麦克的输出信号的幅度，即接收灵敏度。Q1，Q2构成两级共射放大电路，用来放大Q1基极的接收信号。Q3构成开关电路，使Q3集电极输出高低电平，以判断是否接收到信号。如果麦克风接收到信号，Q3导通，输出高电平，否则输出低电平。此信号经反相器连接到单片机的IO口，用来判别声音到来的先后，根据两路信号到来的先后顺序来判断移动声源是否到达设定位置。实际工作中要仔细调节每个前级处理单元电路的灵敏度以达到减少误差的目的。

图5 声音接收前级处理单元电路原理图

5 关键技术分解

本部分采用双核分担的方法来提高测量的精度。具体方法如下：取Stc12c5a60s2运算速度快的长处（24M晶振下速度约为12M晶振的普通51的24倍），它作为信号接收端以较快的速度采集声音信号，做简单处理通过串口通信把时间差信号发送给另一个cpu，该cpu主要负责于信号处理，经过一系列的运算得出坐标。该方法从根本上解决了采集速度和运算复杂之间的矛盾。

图6 声音定位系统结构

如图6，ABC处放置声音接收器，s为一声源。声源发声后首先到达某一个麦克，如图，比如拾音器B，此时开启定时器计时，在分别到达AC两个接收端时记录下定时器的时间。难点在于区分三个麦克时所需的判断，高速的12系列单片机所使用的时间为每周期1/24us,此时误差仅有0.01mm不足以引起可见误差。

另一个单片机在接收到时间差后，通过已有公式可以算出坐标。该单片机采集五组数据，对这五组（每组三个，共15个）数据进行排序，去掉一个最大值，去掉一个最小值，对剩下的三组数据分别求坐标，然后求出三组坐标所构成的三角形的重心，以减小误差。（平面直角坐标系中，重心的坐标是顶点坐标的算术平均，即其坐标为((X1+X2+X3)/3,(Y1+Y2+Y3)/3)）

激光器的光路控制是整个系统的核心和重点。AD9744是一种14位电流输出型、CMOS D/A转换器，最大刷新率至少可达165MSPS，工作电压支持3.3伏，在3.3伏电压下工作时功耗小于135毫瓦。在待机模式下，其功耗约为20mW。该D/A转换器采用了分段电流沉结构，可以有效的减小电流开关的数量，从而减小开关电流的浪涌，改善建立时间，提高转换器的精度。使用AD9744可以精确地控制激光器的指向。

实际测试中，激光能迅速击中发声的蜂鸣器，图7为测试图。

6 总结

本文实现了对声音位置的精确快速定位，并且使用AD9744对激光的方向进行了调控，使激光能够准确地击中声源。但由于是实验室环境，无法配置大功率的激光器和更准确的声音传感器，因此在野外环境中的使用，还需要进一步更换性能优良的元器件，并进一步测试。

图7 测试图

本文设计的能够自动定位打击敌人的战斗系统，设计上比较新颖，方案比较严谨，内容可以实现，具有广阔的应用前景。

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A laser weapon system based on sound localization

Liu Haijiang
（Beijing Microelectronic Technology Institute，Beijing，100076）

In this paper, a laser weapon system based on sound location is developed, which can locate snipers quickly and accurately. The microphone array is applied in this scheme. The sound source position is calculated by the time difference of sound arriving at Mike, then the laser source is controlled, and the laser weapon system based on sound localization is completed.

sound localization; laser weapon; AD9744

刘海江（1978.12.28），男，汉族，籍贯山东临沂，研究生，中级工程师，研究方向芯片测试。