某型導彈測試數據預處理研究與實現

王 茜，仲 超，楊 雷

（1.空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000；2.駐中國空空導彈研究院軍事代表室，河南 洛陽 471000）

0 引言

數據預處理[1]是數據測試的重要環節，對數據進行預處理能確保數據的無差異性和非偶然性。一般數據的預處理包括標度變換、數字濾波、剔除奇異項、剔除趨勢項和平滑處理。在部隊，導彈測試數據的預處理在導彈測試中占據重要地位，其預處理主要包括量綱消除、剔除奇異項和剔除差異項，預處理后的數據經D9接口輸入計算機，進行下一步處理。

國內外研究學者針對數據預處理這一課題有較深入的研究，Fayyad U在其著作《Advances in Knowledge Discovery and Data Mining》中講明數據變換的聚集過程，提出幾種聚集方法。GJ.Williams在其著作《Modeling the KDD Process》中指出數據預處理是KDD的重要組成，并詳細闡述了數據清洗問題。我國專家劉乃琦在其著作《IBM-PC混合語言編程技術》中根據數據預處理過程提出幾個編程方法并給出實例。本文依據國內外研究成果，針對某型導彈的測試流程，設計數據預處理模塊，完成其測試數據的預處理工作。

1 總體設計

導彈數據的測試存在偶然性，一般測試時，某些參數會多次測量。參數包括電壓、電流、時間和頻率等復雜類別，每個參數對應的一組測量值也可能存在奇異項和趨勢項[2]。

針對這些情況，需先對參數進行無量綱化，然后剔除參數中的奇異項和趨勢項，最終取剔除后每組數據的平均值作為對應參數的實測值。

本文使用Multisim14設計預處理模塊電路，使用Matlab調試預處理程序，調試合格后可經emlc命令轉化為C語言后燒入單片機，實現對數據的預處理，本文主要根據原理分析和設計電路，對預處理效果進行仿真。

2 硬件設計及原理分析

2.1 電路設計

從導彈傳入的信號一般在10-3數量級，單片機無法識別，因此，需要對信號放大，信號放大電路如圖1所示。

圖1 信號放大電路

圖中V1和V2是差動放大器[3]同相輸入端，V3是差動跟隨器輸出端，其增益近似為1。差動放大器放大倍數如式（1）所示

差動放大器使用3288RT，此型號放大器漂移小、輸入阻抗高、共模抑制比高，適合微小信號輸出時使用，還可用作電壓比較器，功能較為強大。

模擬信號輸入后需經A/D轉換器，然后輸入單片機中，A/D轉換器外部連接電路連接如圖2所示。

IN為數據輸入端，A/D轉換器D0～D7引腳經總線輸入至單片機中，外接的3個與門與內置轉換電路實現模數轉換功能，ADDA、ADDB和ADDC是模數轉換區引腳，一般接地。

圖2 A/D轉換器外部連接電路

2.2 原理分析

采集參數主要為電壓和電流信號，電壓和電流數據需要進行量綱變換，將有量綱量轉化為無量綱量，這里采用Z標準化[4]的方法，量綱消除公式為

而后得到一個參數的多個無量綱采樣值，采樣數據中可能存在奇異項和趨勢項。先對奇異項進行剔除，根據奇異項判斷準則，預測值xt′用差分方程計算。

誤差限W根據采集系統特征確定。檢測出奇異項后，用預測值代替，若有連續兩個或以上奇異點出現，則先判斷是否滿足式（4）

經驗證明，K值一般取5，若滿足式（3），則不剔除，若滿足式（5）

則繼續用xt′取代xt，即認為該點必是干擾點。一般采用肖維勒方法剔除奇異項，肖維勒系數可按如下近似公式計算：

如果測量值與平均值之差絕對值大于標準偏差與肖維勒系數[5-6]之積，則該測量值被剔除，即

趨勢項的剔除方法為最小二乘法[7]，尋找函數，使得與x（t）的誤差平方和最小，采樣數據為離散化數據，令采樣間隔Ts=1，則擬合數據多項式為

誤差平方和E（b）的表達式為

因為 bm（1≤m≤M）總為正數，所以 E（b）對 bl求偏導，使其為零，即

式（10）可產生M+1個如下方程

根據N個待處理的xk，可得到（M+1）個bm值，式（9）實際是（M+1）元線性方程組。根據經驗，一般M的值在3以內，當M為1時，由式（9）可得以下聯立方程組

再聯合下式

最終解式（9）可得

3 過程仿真

由于導彈某些參數測試時需進行多次測量，因此，某些參數對應的的初始值并不是一個單值，而是一組數。這組數若存在奇異項和趨勢項，則需剔除并替換。

3.1 奇異項處理

以該型導彈引信起爆需要的多個多普勒脈沖為例，采樣值為 1.503 4、1.506 2、1.503 4、1.502 4、1.498 5、2.500 0、1.500 7、1.506 7、1.499 3、1.496 9。其中2.500 0為奇異項，此項數據保存在“參數n.dat”文件中。程序調試可得如圖3所示結果。

圖3中2.500 0項已被剔除，由于采樣數據較多，奇異項較少，數據不替換不會對最終結果造成影響，因此，這里不進行數據替換。

3.2 趨勢項處理

圖3 奇異項剔除結果

以該型導彈陀螺轉子不通電轉速下降值為例，在1 000 ms的時間內對轉子的頻率進行測量，對測量值進行曲線繪制，并描述其中趨勢項和總曲線，然后對趨勢項進行剔除，剔除結果如圖4所示：

圖4 趨勢項剔除結果

這里為方便觀測，轉子頻率設為不變，表現為如圖所示的正弦波。趨勢項設為時刻變化的連續值，表現為如圖的曲線。對兩者的混合信號進行處理，剔除趨勢項。

4 結論

本文通過對某型導彈測試流程的分析，依據現階段研究情況，參考部分文獻，設計具備預處理功能的模塊，以滿足我軍在該型導彈測試上的需要。現階段我軍測試技術還有不足之處，未來在數據預處理領域會融入更多如大數據處理技術等高新技術。