激光光幕戰斗部破片速度測試系統的信號處理*

劉 吉，趙冬娥，于麗霞，周漢昌

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

0 引言

戰斗部利用爆炸后產生的破片進行殺傷和摧毀目標，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。但由于破片體積小、數量多、形狀不規則、速度高、飛行方向任意、散布大、測試環境惡劣等因素，破片速度參數測試困難很大。以激光幕為核心的破片速度測試技術，可實現非接觸的多破片速度測試。但爆炸場中測試環境惡劣，破片過靶信號容易受到干擾。因此，破片信號處理技術成為該系統關鍵技術之一。

1 激光光幕戰斗破片速度測試系統

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

每個激光測試主機以激光作光源，利用發射光學系統產生兩個相互平行、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，構成區截靶，如圖2所示。激光光幕投射到合作目標，反射到接收光學系統，由光電探測模塊接收。當破片飛過光幕區時，光電探測模塊將光通量的變量轉化成電信號，經光電信號調理模塊形成破片過靶信號，高速數據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 破片參數測試系統組成框圖

圖2 激光光幕破片速度測試系統原理

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進行門限閾值量化處理。最后根據小波分解的第N層低頻系數和經過量化后的1～N層高頻系數進行小波重構，達到消除噪聲的目的。采用小波包bior3.9，進行抽取小波變換，小波離散級數設定5，對3mm預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

根據定據測時法原理，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，則來源于數據采集的誤差和信號處理誤差。當采集設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。對于非預制破片的戰斗部，爆轟產生的破片形狀和飛行姿態無法預知，同時可能會產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。峰值算法為設置一個閾值，使用二次多項式依次擬合數據點中的各組數據，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

破片參數測試時，常伴有強烈振動和火光，導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信號的時頻分析，采用雙正交小波的構造方法中的提升算法來構造小波函數，該方法既保留了傳統小波的特性，同時又克服了原先小波構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，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較大起伏，各處峰值可以準確獲取。

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

當破片穿過兩個光幕時，由于破片傾斜入射光幕，可能會出現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，破片經過兩靶的波形將不再是前后對應的時序關系。為了分析該情況，可通過計算兩光幕破片信號的相關系數，來確定信號的歸屬。在激光光幕測速系統中，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)由于產生了時差，如果x(t)與ay(t)是能量有限信號，則它們的相關函數定義為:

顯然，相關函數是兩信號之間時差τ的函數。同一破片穿過兩激光幕所獲得的信號是相關的，利用相關的算法確定兩者間的時間間隔，就是求解使上述相關函數的絕對值取得最大時所對應的τ值。在進行數據處理時，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系數值的計算。當相關系數值最大時，認為是過兩靶的同一破片。

多組破片過靶波形采取1對5的方式進行了相關系數值的計算，如表1所示。每組數據中均為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生的波形。因此，在識別先進后出的破片時，可根據比較相關系數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 雙通道破片相關系數的計算

表1 相關系數值對比結果

4.3 破片過靶信號的譜分析探討

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

系統采用戈勃(Gabor)變換，從時頻相面的堆砌出發，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，窗口長度設置為14，獲得結果如圖8。結果表明:采集得到的存在疊加的破片過靶波形2和3，5和6，在聯合分析的結果中可根據頻譜清晰分離。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 戰斗部過靶波形的Gabor變換

5 結論

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

表2 某型號戰斗部預制破片速度測試表

圖9為某型號戰斗部預制破片過靶波形，此時，破片密度大于20p/m2，經 與傳統靶板比對，該情況下捕獲率仍可達到98%以上，盡管存在噪聲干擾、過靶波形疊加等現象，仍能準確計算出每發各個破片速度，典型數據如表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的破片速度處理方法是正確、可行的。

圖9 某型號戰斗部預制破片過靶波形

[1]諸德放，馮長根，李友，等.基于Gurney假設的一種非對稱型戰斗部破片初速計算[J].彈箭與制導學報，2006，26(1):74 －76.

[2]S T Lu，C Chou，M C Lee，et al. Electro-optical target system for position and speed measurement[J]. IEE Proceedings-A，1993，140(4):252－256.

[4]C C Chang，H C Chang，L C Tang，et al.Hybrid-integrated prism array optoelectronic targeting system[J].Opt.Laser Technol.，2005，37(8):591 －596.

[5]R C Kalonia，G Mitra，A Kumar. Laser-based projectile speed measurement system[J]. Opt. Eng，2007，46(4):044303.

[6]J M Sánchez-Pena，C Marcos，M Y Fernández. Cost-effective optoelectronic system to measure the projectile velocity in high velocity impact testing of aircraft and spacecraft structural elements [J]. Opt. Eng. 2007， 46(5):051014.

[7]錢同惠.信號分析與處理[M].北京:機械工業出版社，2007:45－49.