基于盒差分濾波的侵徹引信計層信號預處理方法

孫倩華，孫 凱，張韓宇

(北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

計層起爆是侵徹引信根據侵徹過載信號實時識別戰斗部碰目標、侵徹目標、穿透目標、鉆出目標一系列歷程并累計戰斗部穿透目標的層數，控制戰斗部在指定層數發出起爆信號[1]。計層起爆控制技術的核心是對加速度信號的硬件、軟件處理。現有的計層技術有對信號的機械濾波[2]、電氣濾波、軟件濾波[3]等的信號預處理，基于過載閾值識別法[4]的計層起爆控制技術，基于加速度傳感器和開關信號融合的計層算法[5]等。計層信號的層識別通常是在實際采樣的穿靶信號數據的基礎上將真實穿靶過載信號的上升沿和下降沿從含噪信號中檢測出來，而真實的穿靶過載信號與高頻振蕩干擾信號的幅值也會存在時域上的不連續性，特別是當長徑比大的戰斗部高速侵徹多層目標時，使得層與層之間的過載相互粘連，現有的侵徹引信難以準確計算層數。本文針對長徑比大的戰斗部高速侵徹多層目標時，存在層與層之間的過載相互粘連，侵徹引信難以準確計算層數的問題，提出了基于盒差分濾波的侵徹引信計層信號的處理方法。

1 計層信號的盒差分濾波檢測原理

1.1 穿靶過載信號研究

以戰斗部高速侵徹多層鋼筋混凝土靶標為例，測得圖1所示的加速度傳感器的過載信號。從圖1中可以看出，戰斗部碰第一層靶時，傳感器感受過載加速度信號幅值陡變。戰斗部出靶后，傳感器受應力波影響輸出周期衰減信號，由于戰斗部初速較高，真實的侵徹過載信號與高頻振蕩信號出現混疊，戰斗部侵徹下一層靶標時前一層侵徹引起的應力波還來不及衰減到較低的水平，從而使響應信號在時域上出現了信號粘連的現象。

圖1 戰斗部侵徹多層靶的過載信號Fig.1 Sensitive signals of projectile penetrating into multi-layer hard targets

振蕩信號主要來源于戰斗部侵徹過程中應力波在戰斗部殼體、引信室及引信之間傳遞造成的高頻振蕩和侵徹過程中加速度傳感器高頻頻響輸出。振蕩隨時間而衰減，長徑比大的戰斗部會導致相鄰兩層振蕩信號以及真實的穿靶過載信號互相疊加，使多層靶目標過載信號的上升沿和下降沿變得異常粘連并難以識別，甚至將有效層信號包絡淹沒在高頻振蕩信號中，導致引信對層識別產生較大的識別誤差。

1.2 盒差分濾波檢測

盒差分濾波器(DOB，difference of boxes)，是數字圖像處理中常用的濾波器之一，在圖像處理領域中，邊緣是圖像最基本也是最重要的特征之一，在圖像中表現為局部范圍灰度的突變，而邊緣檢測正是基于幅度不連續性進行圖像分割的方法[6]。邊緣檢測的基本思想是首先利用邊緣增強算子，突出圖像中的局部邊緣，然后定義像素中的“邊緣強度”，通過設置門限的方法提取邊緣點集[7]。

目前，常用的邊緣檢測算子有 Canny算子、Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian of Gaussian(LOG)算子等，Canny對邊緣檢測提出了3條準則：良好的檢測結果、良好的定位和低重復響應[8]。根據Canny的準則[9]，DOB濾波器具有最佳的檢測結果。

計層信號的層識別通常是在實際采樣的穿靶信號數據的基礎上將真實穿靶過載信號的上升沿和下降沿從含噪信號中檢測出來，而真實的穿靶過載信號與高頻振蕩干擾信號的幅值也會存在時域上的不連續性，因此，可以利用數字圖像邊緣檢測的思想對穿靶過載信號的上升沿和下降沿進行檢測。

2 計層信號的DOB濾波預處理算法

2.1 DOB濾波器

設大小為N的DOB濾波器h(k)為：

(1)

可知，DOB濾波器是一種2N+1奇數階、沖擊響應奇對稱的有限長單位沖擊響應濾波器。對于因果系統，設：

(2)

在此，假設x(k)為DOB濾波器的輸入信號，那么y(k)=x(k)×h(k)則為經過濾波后的輸出信號。如果M為有限長信號x(k) 的長度，2N+1為DOB濾波器的階數，那么輸出信號y(k)的長度自然為M+(2N+1)-1，即M+2N，那么y(k)的計算公式變為：

(3)

通常情況下，濾波器階數2N+1遠小于輸入信號的長度M。根據線性卷積的計算過程以及濾波器移位情況的不同，可以知道對應k的不同取值范圍輸出信號y(k)的計算公式主要分為以下七種情況，分別對應圖2中的①—⑦。

圖2 DOB濾波器遍歷信號的七種情況Fig.2 The seven cases of DOB filter

y(k)=

(4)

另外，計算過程可以用迭代遞推的方法實現，公式如下：

y(k+1)=

(5)

2.2 計層信號預處理方法

加速度傳感器在高沖擊環境下出現零點漂移會存在直流分量，對模數轉換采樣后的數據首先采用減去信號均值的方法去除直流分量。

由于上述DOB濾波器中M要遠大于2N+1，在實際情況中，我們可以認為輸入信號的前2N+1個點全是未侵入靶的原始信號(無信號到達)，因此，我們只需考慮情況④，即2N+1

(6)

戰斗部在侵徹靶板的侵徹過載自身頻率大約為幾千赫茲，而實測的多層目標侵徹過載信號中疊加的振蕩信號頻率則比之高很多，甚至高達幾兆赫茲。正是這些振蕩信號的存在使得多層目標侵徹過載變得復雜難辨。因此，將DOB濾波器的輸出信號再經低通濾波器濾掉這些高頻振蕩信號，可以在一定程度上消除振蕩噪聲，達到更理想的處理結果。

預處理流程如圖3所示。

圖3 算法流程圖Fig.3 The flow diagram of algorithm

3 算法仿真

本文采用Matlab軟件對上述算法進行仿真來驗證其適應性。通過對輸入的加速度傳感器信號進行計算，其中濾波器的大小N取50，低通濾波器截止頻率為2 kHz。仿真數據采用某型戰斗部侵徹多層鋼筋混凝土靶時的試驗數據，戰斗部著靶速度約為700 m/s。仿真結果如圖4所示，其中(a)為試驗原始數據，(b)為DOB濾波后的結果，(c)為低通濾波后的輸出結果。

圖4 計算結果Fig.4 The results of computation

通過對基于DOB檢測的引信計層信號預處理算法的仿真分析可知，該算法在戰斗部以較高速度侵徹多層硬目標的情況下可以較好地對穿靶過載信號進行預先處理，處理后的層信號前后沿明顯，具有較好的分層特性，再結合閾值法可以有效地識別出戰斗部的入靶出靶，可以很好地改善戰斗部高速侵徹時穿靶過載信號粘連帶來的層識別難題。

為研究DOB濾波器的階數N對預處理結果的影響，分別取濾波器大小為20、50、200，仿真結果分別為圖5(a)、圖4(b)及圖5(b)所示?？梢钥闯?，隨著濾波器的階數N的增大，去噪效果更加明顯，當濾波器階數與層信號內的采樣點數相等時(N=50)效果最好，當濾波器階數大于兩倍的層信號內的采樣點數時(N=200)，難以獲取有效的層信號。因此，為達到較好的識別效果，選擇的DOB濾波器階數不能大于層信號內采樣點數的兩倍。

圖5 不同階數的計算結果Fig.5 The results of different type of orders

4 結論

本文提出了基于盒差分濾波的侵徹引信計層信號預處理方法。該方法將在圖像處理中廣泛應用的邊緣檢測的思想用于侵徹引信對戰斗部穿靶過載的計層信號預處理中，即利用盒差分濾波器對穿靶過載上升沿和下降沿檢測的方法。該算法分三步：第一是將原始信號進行交流耦合，第二是取絕對值后進行DOB濾波，最后對輸出結果進行低通濾波。仿真結果表明：經過處理后的層信號前后沿明顯，具有較好的分層特性，再結合閾值法可以有效地識別出戰斗部的入靶出靶，可以很好地改善戰斗部高速侵徹時穿靶過載信號粘連帶來的層識別難題；為達到較好的識別效果，選擇的盒差分濾波器階數不能大于層信號內采樣點數的兩倍。此外，該算法僅進行少量的累加運算，易于侵徹引信中低功耗起爆控制單片機的實現。