郭曉雪，張 亞，李世中，王 維，李 娟

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

硬目標(biāo)靈巧引信是摧毀地上戰(zhàn)略目標(biāo)、堅(jiān)固防護(hù)目標(biāo)或地下掩體目標(biāo)的關(guān)鍵之一，它的核心就是高過(guò)載條件下的自適應(yīng)炸點(diǎn)控制技術(shù)，它采用計(jì)行程、計(jì)層、介質(zhì)識(shí)別等控制方式起爆。硬目標(biāo)靈巧引信的工作原理是利用高性能加速度傳感器測(cè)量侵徹戰(zhàn)斗部在侵徹過(guò)程中的實(shí)時(shí)加速度，使侵徹彈頭到達(dá)最佳位置時(shí)引爆，以達(dá)到最大的毀傷效能。

目前關(guān)于侵徹過(guò)載的讀取和處理的技術(shù)多是通過(guò)數(shù)據(jù)端口讀取數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波的處理［1－3］，但是由于侵徹介質(zhì)層硬度、厚度的不同，以及濾波頻率的選擇的偏差，處理后得到的波形不能很好地反映出侵徹過(guò)載的情況，而且也不能準(zhǔn)確地獲得遠(yuǎn)距離傳送回來(lái)的信號(hào)，和識(shí)別被侵徹介質(zhì)層的層數(shù)。為此，本文提出基于偽自相關(guān)的侵徹?cái)?shù)據(jù)處理方法。

1 基礎(chǔ)

本文的方法基于線性調(diào)頻脈沖壓縮和偽自相關(guān)理論，偽自相關(guān)源于信號(hào)自相關(guān)處理。以往的數(shù)據(jù)處理方法是在讀取出侵徹過(guò)載的數(shù)據(jù)后直接進(jìn)行濾波處理，這樣受到信號(hào)本身的復(fù)雜因素的影響比較大。偽自相關(guān)理論能較好地避免這些因素的影響。

在雷達(dá)系統(tǒng)中，一個(gè)理想的脈沖壓縮系統(tǒng)就是一個(gè)匹配濾波系統(tǒng)，其輸出包絡(luò)（不考慮噪聲）是輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中也得到證實(shí)——信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后提取的信號(hào)包絡(luò)線和經(jīng)過(guò)偽自相關(guān)后的輸出包絡(luò)是基本一致的［4］。

1.1 線性調(diào)頻脈沖壓縮的基本原理

脈沖壓縮技術(shù)是指發(fā)射寬的調(diào)制脈沖，保證在一定的峰值功率電平上提供必須的平均功率，然后把接收的回波信號(hào)壓縮為窄脈沖。采用脈沖壓縮的方法在接收時(shí)獲得信號(hào)的窄脈沖，這樣既保證了對(duì)窄脈沖的高距離分辨力，又能獲得寬脈沖較遠(yuǎn)的探測(cè)距離，很好地解決了作用距離和分辨力之間的矛盾［5］。

線性調(diào)頻（LFM）是脈壓技術(shù)的一種，又稱(chēng)為Chirp信號(hào)，是在脈沖持續(xù)的時(shí)間內(nèi)，脈沖頻率按線性規(guī)律變化的一種脈壓技術(shù)。使用線性調(diào)頻的方法可以展寬發(fā)射信號(hào)的頻譜，使它的相位具有一定的色散。其基本原理如圖1所示。

圖1 線性調(diào)頻脈沖壓縮原理圖Fig.1 Linear frequency modulation pulse compression principle diagram

圖1（a）、圖1（b）表示接收機(jī)輸入信號(hào)，脈沖寬度為τ，載頻由f1到f2線性減小變化，調(diào)制頻偏Δf＝f2－f1，調(diào)制斜率μ＝2πΔf／τ。圖1（c）為壓縮網(wǎng)絡(luò)的頻率－時(shí)延特性，斜率與信號(hào)的線性調(diào)頻斜率相反，高頻分量延時(shí)長(zhǎng)，低頻分量延時(shí)短。因此，線性調(diào)頻信號(hào)高頻率分量（f2）最先進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，延時(shí)最長(zhǎng)為td1，相隔脈沖寬度τ時(shí)間的低頻分量（f1）最后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，延時(shí)最短（td2）。這樣，線性調(diào)頻信號(hào)的不同頻率分量，幾乎同時(shí)輸出，壓縮成單一載頻的窄脈沖τ0，其理想輸出信號(hào)包絡(luò)如圖1（d）所示。

1.2 信號(hào)的自相關(guān)處理

線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮過(guò)程是通過(guò)對(duì)于信號(hào)進(jìn)行匹配濾波的處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，其輸出包絡(luò)（不考慮其中的噪聲）是輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。所以要想提取出信號(hào)的包絡(luò)，第一步就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)的處理，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮處理后的信號(hào)的輸出包絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 脈沖壓縮處理Fig.2 Pulse compression processing

一個(gè)信號(hào)的自相關(guān)就是信號(hào)本身的平方和積分，對(duì)抗混疊后減加速度信號(hào)的模的平方，代替積分該信號(hào)。自相關(guān)函數(shù)描述隨機(jī)信號(hào)X（t）在任意兩個(gè)不同的時(shí)刻t1，t2的取值之間的相關(guān)程度［6］。它表達(dá)了同一過(guò)程不同時(shí)刻的相互依賴(lài)關(guān)系，是對(duì)信號(hào)相關(guān)度的一種度量，也就是說(shuō)自相關(guān)可以看成是信號(hào)與本身的延時(shí)信號(hào)相乘后的乘積進(jìn)行積分運(yùn)算，隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)與其功率譜是傅氏變換對(duì)（隨機(jī)信號(hào)無(wú)法得到具體的函數(shù)表達(dá)式，只有其統(tǒng)計(jì)信息），通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的自相關(guān)運(yùn)算可以進(jìn)行頻譜分析。

1.3 偽自相關(guān)理論

所謂偽自相關(guān)就是在脈沖壓縮和自相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用積分處理的思想，對(duì)信號(hào)的模進(jìn)行自乘，再通過(guò)低通濾波器提取出信號(hào)的包絡(luò)。在這個(gè)理論中不需要考慮原始信號(hào)的結(jié)構(gòu)，用自乘代替對(duì)信號(hào)的積分，用低通濾波器代替固定積分多項(xiàng)式。它的原理圖如圖3所示。對(duì)應(yīng)在Simulink中的流程圖如圖4所示。其中乘法器的電路圖如圖5所示。

圖3 偽自相關(guān)的原理圖Fig.3 Pseudo autocorrelation principle diagram

圖4 Simulink流程圖Fig.4 Simulink flow diagram

圖5 乘法器的電路圖Fig.5 Multiplier circuit diagrams

當(dāng)乘法器的兩個(gè)輸入為同一函數(shù)時(shí)，f（x）＝Kx2，其中K為乘法器的增益系數(shù)，當(dāng)K＝1時(shí)實(shí)現(xiàn)自乘的功能。

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 信號(hào)處理的基本思路

由于侵徹過(guò)程中難以獲得實(shí)測(cè)的速度和位移信號(hào)，利用他們與加速度間的關(guān)系，對(duì)采集到的加速度信號(hào)直接進(jìn)行積分運(yùn)算，從而獲得速度及位移信號(hào)。

鑒于在雷達(dá)系統(tǒng)中的線性調(diào)頻信號(hào)在頻率上的變化是沿著脈沖分布的，使得脈沖每一小段對(duì)應(yīng)于一個(gè)不同的頻率。調(diào)制脈沖通過(guò)一條色散延遲線，脈沖的每一段都經(jīng)過(guò)不同的延時(shí)，這樣下降沿可能被加速而上升沿被減速，從而完成脈沖壓縮。偽自相關(guān)中自乘對(duì)應(yīng)的是調(diào)頻，濾波對(duì)應(yīng)的調(diào)制，試驗(yàn)也驗(yàn)證了他們達(dá)到的效果是基本一致的。所以在對(duì)侵徹過(guò)載的數(shù)據(jù)處理中偽自相關(guān)的處理至關(guān)重要。

2.2 基本步驟

1）導(dǎo)入數(shù)據(jù)。提取試驗(yàn)中獲得的侵徹過(guò)載數(shù)據(jù)，即時(shí)間與減加速度一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入到Matlab的Workspace中，方便算法驗(yàn)證時(shí)調(diào)用。

2）按照?qǐng)D4流程進(jìn)行偽自相關(guān)處理。即原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)乘法器時(shí)，雙擊打開(kāi)參數(shù)對(duì)話框在number of inputs中輸入2，其余參數(shù)采用默認(rèn)值即可實(shí)現(xiàn)自乘的功能，從而達(dá)到對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮的目的，再通過(guò)低通濾波器的處理，提取出信號(hào)的包絡(luò)線。調(diào)試期間的波形圖可以通過(guò)示波器查看到，并將結(jié)果輸出到指定位置。

此處濾波系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置是在Simulink的FDAtool工具箱中進(jìn)行的——打開(kāi)FDAtool界面中的design filter界面中response type（響應(yīng)類(lèi)型）選擇lowpass［7］；design method（設(shè)計(jì)方法）中選擇iir濾波器的butterworth法；filter order（濾波器階數(shù)）選項(xiàng)中輸入3；frenquency specifications選項(xiàng)中fs＝160kHz，fc＝250Hz。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖4中的算法流程，運(yùn)用Simulink模塊庫(kù)中的乘法模塊和數(shù)字濾波器的模塊設(shè)定算法流程后，將實(shí)驗(yàn)得到的模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入到輸入模塊中，運(yùn)行后數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)偽自相關(guān)處理后，將輸出結(jié)果輸入到指定的位置，中間過(guò)程及結(jié)果的波形圖通過(guò)示波器來(lái)查看。

在進(jìn)行仿真前還要進(jìn)行流程圖外的參數(shù)設(shè)置，在Simulation中的configuration parameters中的Simulation time中根據(jù)獲得的侵徹過(guò)載數(shù)據(jù)設(shè)置仿真時(shí)間，需要注意的是起始時(shí)間和終止時(shí)間要與數(shù)據(jù)完全一致；solver options中選擇variable－step。

波形是當(dāng)彈丸穿過(guò)兩層混凝土靶板時(shí)產(chǎn)生的，圖6為原始的侵徹信號(hào)圖。實(shí)測(cè)條件：數(shù)據(jù)的采樣頻率為160kHz。

仿真結(jié)果：仿真圖上的數(shù)字代表侵徹過(guò)程中的減加速度。信號(hào)處理后的波形圖如7所示。

圖6 原始信號(hào)的波形圖Fig.6 The original signal waveform diagram

圖7 自乘處理后的波形圖Fig.7 The oscillograph after quare

圖8 改進(jìn)前的波形圖Fig.8 The oscillograph before improvement

圖9 偽自相關(guān)處理后的波形圖Fig.9 The oscillograph after Pseudo autocorrelation processing

由圖8、圖9可知，仿真前波形圖中存在多處的小波峰，沒(méi)能很好地反映侵徹過(guò)載情況，在后續(xù)處理中確定閾值加大的難度；而后者能清晰和直觀地反映出彈丸在侵徹過(guò)程中穿過(guò)混凝土靶板的層數(shù)為兩層，驗(yàn)證結(jié)果能較好地反應(yīng)出遠(yuǎn)距離傳送回來(lái)的侵徹過(guò)載情況。

4 結(jié)論

本文提出偽自相關(guān)的侵徹?cái)?shù)據(jù)處理方法。在數(shù)據(jù)處理中用自乘和低通濾波的方法提取出平滑的侵徹信號(hào)包絡(luò)線。驗(yàn)證結(jié)果充分證明了上述信號(hào)處理方法能很好地解決遠(yuǎn)距離傳送（利用無(wú)線電將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送給接收機(jī)）和分辨力之間的矛盾，提高了它的分辨力，通過(guò)偽自相關(guān)的處理后，增強(qiáng)了每層介質(zhì)之間的減加速度的差異，清楚地表達(dá)了侵徹介質(zhì)層和侵徹過(guò)載之間的關(guān)系，為實(shí)時(shí)的探索、分類(lèi)每層的硬度類(lèi)別和指明彈丸穿過(guò)的介質(zhì)層的層數(shù)提供了判斷的依據(jù)。

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