劉 吉，趙冬娥，于麗霞，周漢昌

(1中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051;2儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051)

0 引言

戰(zhàn)斗部利用爆炸后產(chǎn)生的破片進行殺傷和摧毀目標(biāo)，因此，破片的飛行速度是衡量其殺傷效能及毀傷效率的主要參數(shù)。但由于破片體積小、數(shù)量多、形狀不規(guī)則、速度高、飛行方向任意、散布大、測試環(huán)境惡劣等因素，破片速度參數(shù)測試?yán)щy很大。以激光幕為核心的破片速度測試技術(shù)，可實現(xiàn)非接觸的多破片速度測試。但爆炸場中測試環(huán)境惡劣，破片過靶信號容易受到干擾。因此，破片信號處理技術(shù)成為該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 激光光幕戰(zhàn)斗破片速度測試系統(tǒng)

激光光幕破片速度測試系統(tǒng)，由激光測試主機、地面合作目標(biāo)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機或嵌入式主機及破片參數(shù)測試專用數(shù)據(jù)處理軟件組成，如圖1所示。

每個激光測試主機以激光作光源，利用發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生兩個相互平行、距離確定的激光光幕，匹配地面反射裝置，分別作為啟動激光幕和停止激光幕，構(gòu)成區(qū)截靶，如圖2所示。激光光幕投射到合作目標(biāo)，反射到接收光學(xué)系統(tǒng)，由光電探測模塊接收。當(dāng)破片飛過光幕區(qū)時，光電探測模塊將光通量的變量轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)光電信號調(diào)理模塊形成破片過靶信號，高速數(shù)據(jù)采集裝置將破片過靶信號讀入計算機并處理獲得各破片速度。

圖1 破片參數(shù)測試系統(tǒng)組成框圖

圖2 激光光幕破片速度測試系統(tǒng)原理

2 破片過靶信號去噪處理

破片信號處理的基本步驟如圖3所示。

圖3 破片信號處理基本步驟

本系統(tǒng)中，首先對破片信號進行小波分解，選擇小波基并確定分解層次為N。然后對小波分解的高頻系數(shù)進行門限閾值量化處理。最后根據(jù)小波分解的第N層低頻系數(shù)和經(jīng)過量化后的1～N層高頻系數(shù)進行小波重構(gòu)，達到消除噪聲的目的。采用小波包bior3.9，進行抽取小波變換，小波離散級數(shù)設(shè)定5，對3mm預(yù)制球形破片過靶波形進行閾值小波降噪，原始波形及處理后波形如圖4所示。

圖4 3mm預(yù)制球形破片過靶波形進行小波降噪效果對比

3 破片過靶時間的特征點的拾取

根據(jù)定據(jù)測時法原理，速度的測試精度取決于靶距精度和時間精度。彈道不規(guī)律時，靶距誤差主要來源于測距儀器的誤差，而測時誤差，則來源于數(shù)據(jù)采集的誤差和信號處理誤差。當(dāng)采集設(shè)備的采樣速率確定時，測試精度主要取決于過靶時刻特征點的選取。對于非預(yù)制破片的戰(zhàn)斗部，爆轟產(chǎn)生的破片形狀和飛行姿態(tài)無法預(yù)知，同時可能會產(chǎn)生燃燒不充分的炸藥顆粒一同飛散。此時，適合采用峰值法尋找特征點相對可靠。峰值算法為設(shè)置一個閾值，使用二次多項式依次擬合數(shù)據(jù)點中的各組數(shù)據(jù)，求波形中的各個波峰，對于每個波峰二次擬合與閾值進行比較，低于閾值的波峰將被忽略，典型波形的峰值選取如圖5所示。

圖5 峰值法獲取破片過靶時刻

4 惡劣環(huán)境下破片過靶信號的分析方法

4.1 強振動、強火光情況下信號分析方法

破片參數(shù)測試時，常伴有強烈振動和火光，導(dǎo)致波形基線大范圍起伏，前述時域算法中的峰值算法不再適合測試的要求。而小波變換是非常適合非平穩(wěn)信號的時頻分析，采用雙正交小波的構(gòu)造方法中的提升算法來構(gòu)造小波函數(shù)，該方法既保留了傳統(tǒng)小波的特性，同時又克服了原先小波構(gòu)造中對傅里葉變換的依賴性，完全基于時域。變換過程分為分裂、預(yù)測和更新3個階段。

采用雙正交小波Bior3.1分解波形再查找在所有層次上過零點系數(shù)，在不同尺度上查找過零點峰值。典型波形如圖6所示，可以看出盡管波形出現(xiàn)較大起伏，各處峰值可以準(zhǔn)確獲取。

圖6 小波多尺度峰值檢測起伏較大的波形

4.2 破片先進后出時信號處理方法

當(dāng)破片穿過兩個光幕時，由于破片傾斜入射光幕，可能會出現(xiàn)有的破片先于其它破片通過啟動光幕，卻后于其它破片通過停止光幕，即破片先進后出。此時，破片經(jīng)過兩靶的波形將不再是前后對應(yīng)的時序關(guān)系。為了分析該情況，可通過計算兩光幕破片信號的相關(guān)系數(shù)，來確定信號的歸屬。在激光光幕測速系統(tǒng)中，采集到的同一破片穿越兩個不同光幕的過靶信號x(t)與ay(t)由于產(chǎn)生了時差，如果x(t)與ay(t)是能量有限信號，則它們的相關(guān)函數(shù)定義為:

顯然，相關(guān)函數(shù)是兩信號之間時差τ的函數(shù)。同一破片穿過兩激光幕所獲得的信號是相關(guān)的，利用相關(guān)的算法確定兩者間的時間間隔，就是求解使上述相關(guān)函數(shù)的絕對值取得最大時所對應(yīng)的τ值。在進行數(shù)據(jù)處理時，破片過靶信號是由采集卡采集到的一系列離散序列，上述相關(guān)算法可表示為:

如圖7所示，將通過啟動靶的第一個破片和通過停止靶的5個破片分別進行相關(guān)系數(shù)值的計算。當(dāng)相關(guān)系數(shù)值最大時，認(rèn)為是過兩靶的同一破片。

多組破片過靶波形采取1對5的方式進行了相關(guān)系數(shù)值的計算，如表1所示。每組數(shù)據(jù)中均為R1最大，即啟動靶中的第一個破片與停止靶第一個破片為同一破片產(chǎn)生的波形。因此，在識別先進后出的破片時，可根據(jù)比較相關(guān)系數(shù)值的大小來判斷兩靶中的破片信號是否屬于同一破片。

圖7 雙通道破片相關(guān)系數(shù)的計算

表1 相關(guān)系數(shù)值對比結(jié)果

4.3 破片過靶信號的譜分析探討

破片參數(shù)測試環(huán)境惡劣，容易受到爆炸火光、沖擊振動、破片速度、數(shù)量不一致，同時破片密度大時，容易出現(xiàn)信號混疊的情況。對這種為非平穩(wěn)的破片過靶信號，適合采用時頻聯(lián)合分析的方法，可借助頻譜分析的方法，拾取特征點，進而計算出破片參數(shù)。

系統(tǒng)采用戈勃(Gabor)變換，從時頻相面的堆砌出發(fā)，將信號按一組正交基展開，并采用時頻聚集性最好的高斯窗口作為滑動窗，窗口長度設(shè)置為14，獲得結(jié)果如圖8。結(jié)果表明:采集得到的存在疊加的破片過靶波形2和3，5和6，在聯(lián)合分析的結(jié)果中可根據(jù)頻譜清晰分離。此方法可用來解決，因過靶信號的疊加在時域中難于分離的問題。

圖8 戰(zhàn)斗部過靶波形的Gabor變換

5 結(jié)論

采用JGM-P400型激光幕破片測速系統(tǒng)，對不同型號，不同爆炸當(dāng)量，不同破片密度的測試場合進行了破片速度測試，根據(jù)上述破片處理算法可靠獲取了多個破片的速度值。

表2 某型號戰(zhàn)斗部預(yù)制破片速度測試表

圖9為某型號戰(zhàn)斗部預(yù)制破片過靶波形，此時，破片密度大于20p/m2，經(jīng) 與傳統(tǒng)靶板比對，該情況下捕獲率仍可達到98%以上，盡管存在噪聲干擾、過靶波形疊加等現(xiàn)象，仍能準(zhǔn)確計算出每發(fā)各個破片速度，典型數(shù)據(jù)如表2所示。理論分析和實驗驗證說明了基于激光光幕破片速度測試系統(tǒng)的破片速度處理方法是正確、可行的。

圖9 某型號戰(zhàn)斗部預(yù)制破片過靶波形

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