基于AR模型現代譜估計的某型高超聲速導彈熱模態試驗研究

李智勞 李曉東 劉凡（中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065）

基于AR模型現代譜估計的某型高超聲速導彈熱模態試驗研究

李智勞 李曉東 劉凡（中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065）

高超聲速導彈在飛行過程中表面會受強烈的熱作用，結構本身的動特性也會發生明顯變化，進而會影響結構的顫振臨界速度，因此在導彈設計階段就必須考慮氣動加熱對結構動特性的影響。采用模擬計算的方法很難準確獲得結構高溫時的動特性參數，所以必須通過試驗進行驗證和修正。本文開展了某型高超聲速導彈的熱模態試驗，運用基于AR模型的現代譜估計方法對結構在加熱情況下的響應進行了分析，獲得了導彈的頻率變化規律。

高超聲速；熱模態；AR模型

高超聲速飛行器具有高空高速的特點，對維護國家國防安全具有十分積極和重要的作用，是未來戰略進攻和戰略防御武器發展的一個制高點，當今世界各個大國對該領域的技術和戰略研究一直在積極推進。高超聲速飛行器由于在飛行過程中表面會受到強烈的熱作用，從而結構的動特性會發生較大變化，并引起其它動力學問題。本文開展了某型高超聲速導彈在熱作用下的模態測試研究，對未來繼續研究此類問題提供參考。

1 基于AR模型的現代譜估計的時變模態參數識別

針對經典譜估計的頻率分辨率低等問題，上世紀60年代后期提出了現代譜估計技術。現代譜估計的方法大致可分為參數模型譜估計和非參數模型譜估計，參數模型譜估計有AR模型、MA模型、ARMA模型、Prony指數模型等，其中AR模型是最基本，研究得最多的一種。AR模型對應的方程是一組線性方程，算法簡便，并易于反映譜中的峰值，具有良好的頻率分辨能力，在多個領域已經獲得了成功的工程應用。

也可以反過來在頻域里這樣來理解AR模型：一個線性系統H(z)受白噪聲u(n)（譜為U(ω)）激勵后的響應為x(n)（譜為X(ω)），如圖1所示。

AR（Auto Regressive）參數模型又稱自回歸模型，可表示成如下差分方程的形式：其中，是各時刻的測量值；是AR模型參數值；p是模型階數；u(n)是零均值，方差為δ2的平穩白噪聲過程。

從（1）式很容易得到AR模型系統的傳遞函數為：

從而得到AR模型功率譜估計的計算公式：因此，進行功率譜估計，必須求得AR模型的參數

AR模型的參數估計也就是在已知測量數據X(n)，估計出ak、p及δ2。目前已經形成了很多有名算法，如自相關算法，利用了Yule-Walker方程式的遞推性質，采用高斯消元法求解Yule-Walker方程，簡單方便；還有Burg算法，提高了自相關算法的計算精度；改進協方差算法等。在Matlab信號處理工具箱模塊中，包含了上述算法的技算程序，選擇合適的進行直接調用即可，非常方便。

在進行AR模型參數估計時，首先要確定模型階數p，AR模型階數的確定是個很重要的問題，模型階數低于恰當的階數時，有些信號分辨不出來，如同用低價曲線去擬合高價曲線，會漏掉某些峰；而階數高于恰當的階數時，則如同高階曲線擬合低階曲線，背景噪聲會被作為真實信號擬合出來，產生虛假峰。為了判斷確定的模型階數是否合適，下面給出了一個重要的判斷準則AIC準則。

AR模型階數估計一個重要的準則為AIC準則，計算公式定義為:

式中p為模型階數，N為數據個數；δ2p為采用不同階數的預測誤差。

參數估計是在給定階次的情況下進行的，由于事先無法判斷準確的模型的階次，因此在建模過程中先給定模型的階次p，然后求解Yule-Walker方程，估計出AR模型的參數，得到各階模型，最后取AIC值最小的階次作為模型的最佳階次，同時也就確定了AR模型。

2 試驗驗證

2.1 試驗設備

本次試驗所用設備見表1。

表1 試驗設備

2.2 試驗結果

本次試驗穩態加熱時間為120秒，初始加熱溫度為80度。彈體為橡皮繩懸吊下的自由-自由狀態。

表2 導彈彈體垂直一彎模態頻率變化表

表3 導彈彈體側向一彎模態頻率變化表

圖1 導彈彈體垂直一彎模態頻率變化曲線

圖2 導彈彈體側向一彎模態頻率變化曲線

3 結語

應用AR參數模型法進行振動信號功率譜估計的主要思想是：將測量信號x(n)表示成一個輸入序列u(n)(白噪聲過程)激勵線性系統H(z)的輸出；由已知的x(n)或其自相關函數rx(m)來估計H(z)的參數；由H(z)的參數估計X(n)的功率譜。本文運用AR模型的現代譜估計的方法，解決了經典譜估計方法的分辨率低的問題，為熱模態的繼續研究打下了堅實基礎。

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