反狙击手探测系统

反狙击手探测系统
一、概述：
反狙击手探测系统可分为声控测、红外探测和激光探测三种。

比较成熟的产品有法国米特拉维公司的皮勒尔MK II型狙击手探测系统、美国BBN公司研制的“枪弹定位器”声学反狙击手系统、美国AAI公司研制的PDCue 反狙击手声探测系统。

1、声探测系统
反狙击手声测定位系统确定狙击手的位置，是通过接收并测量狙击步枪的膛口激波和弹丸行产生的冲击波来实现的。

通常只能探测超声速弹丸。

系统的关键部件是可以感应到爆炸并能测出爆炸声学探测器反狙击手探测系统有单兵佩挂型、固定设置型和机动平台运载型。

在一般情况下，轻武器射击时会发出两种冲击波，一种是超音速枪弹产生的冲击波，另一种是推进火药产生的枪口冲击波。

在较短距离内，通过两种冲击波的到达方向和时间就能精确判断出枪手的位置。

如果距离较远，则需要考虑枪弹的弹道和冲击波参数，例如通过冲击波产生的压力和周期可以判断枪弹的型号。

反狙击手声探测系统以是利用上述原理工作的。

2、红外狙击手探测定位仪
红外反狙击手探测定位是通过探测枪口闪光不口跟踪飞行弹丸，来确定敌方狙击手的位置的系统。

3、激光狙击手探测定位仪
利用敌狙击步枪上的光学瞄准镜易反射光线的原理探测敌方狙击手的装置。

该探测定位仪由红外半导体激光照明器、护眼激光测距仪、摄像机和全球定位系统组成。

工作时，首先用激光器扫描复杂的敌情方向，当激光器的光束照射到敌狙击手步枪瞄准镜时，由于其反射激光的能力比周围背景的反射能力强，因此被摄像机接收下来，将其位置叠加在场景的电视画面上，从而在狙击手射击前即可发现其位置。

声探测和红外探测反狙击手探测系统探测概率很高(一般在90%以上)、反应时间很短(一般在10秒以内)，为探测射击方位、扣击敌狙击手创造了很优越的先决条件。

旦从作战效能角度讲，这仅仪足一个“亡羊补牢”之下策。

因为敌人先我攻击、占据主动，“生死劫”可能就发坐在那短短的几秒钟。

二、声探测系统定位原理
狙击手声探测定位系统(如图1) 通过布置一系列声传感器,通过精确测定枪口激波和弹丸飞行激波到达每个传感器的时间差,可以精确计算出射击位置,以及弹丸飞行弹道、飞行速度和枪械口径。

1 系统的组成
图2 为被动声定位系统的硬件部分。

系统将采集到的声信号送入数字信号处理器,通过时延估计和定位算法实现对目标的定位。

(1) 传声器是智能雷弹系统的耳朵,它通过其敏感元件把声信号转换成电信号,再经过前置精密放大电路后以电压形式输出。

其质量和性能直接影响到系统的精度和能否正确反映被测信号的全部信息。

本系统采用的是驻极体式电容传声器。

(2)因为声源的位置不同,到达接收器的信号幅度强弱不同,因此选用数控放大电路。

(3)信号采集电路的分辨率和采样率是影响时延估计精度的重要因素,因此,采集电路的设计必须采用高分辨率,高采样率的数据采集系统。

(4) DSP 是信号处理的核心,处理速度影响整个反狙击系统的反应速度,所以在成本允许的情况下,应选用处理能力越强、运算速度越快的DSP。

本系统采用TI 公司的TMS320C6711 浮点型DSP 芯片,其指令周期为617 ns。

(5)由于DSP 直接接口需要DSP 插入大量的等待周期,会导致实时显示与高速显示存在难
以调和的矛盾,影响了通用方便性。

鉴于此,用一片单片机来实现显示功能,DSP 只要往外部存储器里写进数据,单片机根据读出的信息看是否显示,这样方便了编制程序以显示DSP 的运行状态,克服了上述矛盾。

(6) 由于测量精度的原因(假设目标距离为100 m ,如果测出的角度有011°的误差,则子弹击中的目标距实际声源将有0117 m 的误差) 及怕误伤到别人,因此本系统中未包含狙枪自动反
击部分,而只是对目标方位进行检测和显示,人为进行反击。

2 系统定位原理及算法
声探测定位技术是利用目标发出的噪声来对目标进行定位的。

如何设计性能优良、结构简单合理的声阵是被动声定位的关键技术之一。

传声器阵列可分为线阵、面阵和立体阵。

线阵结构简单,但线阵只能对阵列所在直线为界的半个平面进行定位。

面阵可以在整个平面对目标进行定位,也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位。

立体阵则可以对整个空间进行定位,但其算法要复杂的多。

从实际应用角度考虑,采用立体正方形阵来进行目标定位。

立体阵声探测定位系统传声器的布置如图3 所示。

其中S 表示目标点声源, M1 , M2 , M3 和M4 分别表示4 个传声器。

采用直角坐标系表示,4 个传声器位于xoy平面上。

设基阵边长为L ,
M 1 , M 3 高为h ,则传声器的坐标分别为M 1 (L/ 2 , L/ 2 , h) , M 2 ( L/ 2 , L/ 2 ,0) , M 3 (L/ 2 ,- L/ 2 , h) , M 4 ( L/ 2 , - L/ 2 ,0) 。

目标点声源的坐标为( x , y , z) 。

S 点距原点距离为r ,目标方位角为φ,仰角为θ,设声源S 到M 1 , M 2 , M 3 和M 4 的距离分别为r 1 , r 2 , r 3和r 4 。

并规定dij 表示传声器Mi 与M j 距点声源的距离差,即:
在直角坐标系中,可以得到如下方程组:
2222
22221222212122221312222
141(/2)(/2)()(/2)(/2)()
(/2)(/2)()()(/2)(/2)()x y z r x L y L z h r x L y L z r d x L y L z h r d x L y L z r d ⎧++=⎪-+-+-=⎪⎪++-+=+⎨⎪++++-=+⎪⎪-+++=+⎩
解方程可得:
31423142tan ()/()cos d d d d φθ=+-⎧⎪⎨=⎪⎩ 2222412131131412122()
h d d d r d d d ++-=-- 通过对延时的计算可以得到延时距离，然后根据上面公式就可以得到狙击手的空间坐标。

三、国外反狙击手系统的进展
1、声学枪击探测系统
目前，大多数声学枪击探测系统都源自业内从事反潜艇声纳系统开发的公司，在该领域内声学处理技术至关重要。

这些声学枪击探测系统主要包括达信公司 AAI 分公司的 PDCue 系统、BBN 技术有限公司的“回旋镖”（BOOMERANG ）系列、Metravib 公司的PILAR 系列、奎奈蒂克北美公司的 EARS/SWA TS 系列以及厄尔特拉电子设备公司的步枪安装枪击定位仪（RMGL ）。

上述产品大多数都拥有固定式、便携式和车辆安装式，而体积更小、价格更低的士兵穿戴型仍在研发之中。

PDCue 系统
A A I 公司的射弹探测与标记（PDCue）系统目前已经在美军中投入使用。

该系统通常都安装在装甲车辆上，由4个低轮廓的传感器阵列组成，分别安装在车辆的4个角，可以提供360°覆盖范围以及准确的方位、高低和距离计算。

据该公司称，安装在车辆上的PDCue 系统即使在探测到的信号十分微弱的情况下仍能生成清楚的走向线。

由于采用了多个传感器，减少了盲区的可能性，并增加了一定的冗余度。

由于融合了GPS 传感器，PDCue系统可以在数字地图上显示射手的位置。

另外一项可选的内容包括在PDCue系统中融合其它传感器或武器系统的视场及瞄准线，以实现快速的火力还击。

AAI 公司称，该系统具备与车辆子系统、传感器和遥控武器站之间的即插即用能力。

目前，该系统已经安装在美军的“汉姆威”和“斯特赖克”装甲车上投入战场使用，在部署到战场之前该系统还在野外和城市环境中经过了大量试验。

试验结果显示，该系统的距离测量在开阔地形中要更加准确一些。

AAI 公司公布的其它数据包括方位角误差为±1°、误报警率低于0.1%以及在收到枪击信号后反应时间小于0.1s。

“回旋镖”系列
该系统使用一个桅杆安装的麦克风阵列探测来袭射弹，在美军之中深受欢迎。

PILAR 系统
该系统标准的配置包括1个麦克风阵列、1个声学处理单元以及1个显示器。

在有乘员操作机枪的开放式车辆中，该系统可以指示敌方射弹来袭的方向，帮助乘员快速调转武器对准目标。

该系统可以探测中小口径弹药、火箭弹以及迫击炮弹，最远距离可达2 000m。

据帕洛迪介绍，该系统在行进间的精度通常在±5°。

它还可以用于营地防护，精确度通常在±2°PILAR 系统的工作原理是利用枪口爆炸声和子弹飞行中的冲击波。

子弹射击的声音首先到达，然后才是枪口爆炸声。

这些信号到达麦克风阵列时存在一些延迟，这就是该系统如何使用三角测量法进行定位的。

2、光学方案
通过分析炮口焰的光谱成分或利用敌狙击枪瞄准镜和射弹观测镜的反射。

比如，法国塞拉斯（Cilas）公司的新型SLD 400狙击手激光探测器就是基于“猫眼”效应。

猫眼在黑暗中发光，是由于猫的视网膜比身体其它部分的反射能力强。

同样，狙击手的瞄准望远镜也比周围背景的反射能力强。

当不可见光波段的激光束照射到其表面时，就会产生狙击手不易察觉而激光探测系统能察觉到的较强反光，从而发现狙击手。

不同于声学探测系统和红外探测系统，激光探测系统是一种主动系统，有可能在狙击手开枪之前就找出它们的位置。

SLD 400 主要由三个部分组成，分别是光学传感器部分、转塔部分和遥控单元。

整套光学传感器安装在一个固定的矩形铁盒内，铁盒一侧有2个玻璃窗口。

广角编码激光束发射装置通过其中一个窗口，发射编码扫描激光束；高技术激光接收装置实际上是一种内带微光放大装置的特殊数码相机，通过另一个窗口拍摄可见光图像和接受反射回来的激光信号。

转塔部分位于传感器以下，带动光学传感器对怀疑区域进行水平和俯仰扫描。

而遥控单元由军用计算机和控制手柄组成，主要用于处理、显示传感器传来的图像；根据预定程序控制光学传感器的扫描；操纵人员通过手柄控制光学传感器的扫描。

该系统的探测距离据称在白天可达1000m，在夜间可高达3 000m。

3、其它探测系统
科巴姆公司的“ 针尖”（PINPOINT）系统是一种与“回旋镖”系统类似的狙击手探测系统，它可以每30毫秒对敌方的射击进行扫描和显示。

另有厄尔特拉电子设备公司的枪击定位仪，该系统仅重4.54kg，由一个安装在球体中的声纳传感器和一个29mm ×23mm 的小型显示器组成，可以安装在步兵武器的机匣轨道上。

该系统内置了一种补偿装置，即使在步枪移动过程中仍可向用户准确提供信息，在其显示器上可以显示威胁的距离和方向。

Synectic公司的“红辣椒”系统是一种穿戴式电子信号测量方案，目前正处在研发的最后阶段。

该系统具备30Mhz～3Ghz 之间的拦截能力以及30～2Ghz之间测向能力，同时还具有22Mhz宽带凝视以及1Ghz/s扫描率等特点。

所有信息将通过一台小型P D A 或显示器呈现在用户面前。

丹麦的Seqtor公司也研制出了一种名为“蒙特”（MENTOR）的小型手持式信号情报解决方案。

其主要特点包括实时告警、快速宽波段智能扫描以及快速威胁信号识别。

为了保护危险环境下的人员安全，微流（Microflown）公司也推出了一种狙击手定位系统。

该系统利用紧凑的声学矢量传感器（A VS），可以对敌方火力进行探测和定位。

敌方射弹的超音速冲击波以及随后的枪口爆炸声将激活该系统的探测软件，仅需一个A VS，就可以对包括敌射手的方向、高度以及距离等所有相关信息进行计算和报告。

这些传感器既可以安装在地面车辆上，也可以部署到半永久性工事中。

其集成的3D指南针和惯性传感器使其只需极少的时间就可以完成部署。

在联网的情况下，计算出来的狙击手位置还可以发送到指挥控制中心。

此外，该传感器还可安装到车辆上，即使在行进间也可以对敌方火力进行探测。

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