基于多信息融合的超高速侵徹引信層數識別方法

邵志豪,謝雨岑,梁瑊輝,郜王鑫,栗建橋,張 珂,3

(1.機電動態控制重點實驗室,陜西 西安 710065;2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081;3. 西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

隨著新形勢下戰場環境不斷惡化,多層式防御工事不斷向著堅固化、復雜化方向發展,對硬目標侵徹引信的作戰性能要求也隨之提高。超高速侵徹多層式掩體目標的精確計層起爆控制已成為硬目標侵徹引信的重要任務,精準的層數識別方法也顯得愈發重要?；诔咚偾謴赜材繕诉^程中獲取的物理場信息,層數識別方法可以通過對侵徹特征信號進行提取與處理來實時判別彈藥侵穿目標的層數,進而確定最佳起爆時機以完成對多層工事目標的精確打擊和高效毀傷。

現有侵徹引信層數識別方法大多依據由加速度傳感器獲得的過載信號來識別彈藥的動態侵徹過程。在中、低侵徹速度下,過載特征變化明顯,經傳統濾波方法[1-2]處理后,可以準確地辨識目標層。但當侵徹速度大幅度提高時,加速度過載信號上疊加了大量的振蕩信號,高頻振蕩信號將目標層信息完全淹沒,層間過載呈現強粘連現象,容易導致引信計層不準的問題[3]。為提高計層算法的準確性和可靠性,已有公開文獻提出了兩種解決途徑：一種是優化侵徹過載信號的獲取,如機械濾波、電氣濾波等,通過消除部分振動信號,降低干擾信號對目標識別精度的影響;另一種是引入信號處理方法,如變分模態分解算法[4]、小波分析方法[5]、自相關算法[6]等,通過凸現目標層特征,提高層數識別的準確性。然而,上述方法均不能從根源處消除高頻振蕩信號的干擾,且受限于信號的數量及質量,僅適用于已知目標、典型工況,而對超高速侵徹環境識別多層目標的自適應性較差。

彈藥超高速侵徹過程中會產生較為顯著的電磁效應[7],當金屬侵徹體侵徹每層靶板時,彈丸運動狀態變化、形態結構變化、地磁場信號變化[8]等將在殼體內部形成動態變化的電場,利用電磁信號作為層識別特征信號可以解決單一信號獲取信息有限的問題。同時,利用多源信息的相關性可以解決信號粘連導致多層目標識別不準的問題,而目前尚未見到基于過載信號和電磁信號融合的侵徹計層相關研究。本文提出一種超高速侵徹過程電磁信號與過載信號融合的超高速侵徹引信層數識別方法,利用多源信號相關特性解決過載信號粘連難辨及作戰環境干擾的問題,從而實現對多層目標的精準自適應識別。

1 多傳感信號融合侵徹計層技術

1.1 基于超高速侵徹電磁效應的計層原理

超高速侵徹過程中,會產生顯著的電磁效應[8]。超高速碰撞時產生沖擊波,導致材料的高溫和高壓狀態,侵徹戰斗部和目標靶板材料會發生破碎、熔化、汽化、電離等現象,產生等離子體。侵徹戰斗部在地磁場中運動時,離子受金屬晶格的約束隨彈體在磁場中運動,自由電子在金屬殼體中流動,因而彈體中的電場將產生變化。侵徹體以超高速勻速運動時,彈體內部自由電子在外部磁場作用下,運動狀態與彈體整體運動態產生差異,從而形成穩定的內建電場;當其侵徹靶板時,彈體速度突然下降,內部自建平衡電場無法保持彈體和內部組件產生變化的電流密度,電場信號發生變化。因而,引信可以感知戰斗部侵徹目標過程中彈體產生的變化電場強度信號,并用來識別侵穿層數。

此外,如碰撞速度、靶板厚度、靶板層數等碰撞條件,會影響碰撞過程中動能向內能的轉化從而影響等離子體的產生,進而影響等離子體的總電量[8]。對于不同厚度的靶板來說,薄靶板碰撞時產生的等離子電荷峰值要小于中厚板碰撞產生的等離子電荷峰值;對于不同層數的靶板來說,隨著碰撞次數增加,碰撞面積會增大且使得能量更利于沉積,隨之將有更多的動能轉化為內能,從而產生更多的等離子體[8]。因而,感知電場強度信號在提供碰靶穿層信息的同時,還可以表征侵徹目標的狀態。

綜上,利用等離子雙流體模型表述侵徹體和其中自由電子氣體流動[8],獲得的電流密度為

J=e(nivi-neve),

(1)

式(1)中,e為電子電量,ni和ne分別表示離子數密度和電子數密度。離子流體速度vi為侵徹彈藥的速度,電子流體速度ve受磁場、離子流體速度及靶體材料電導率、介電常數和磁導率影響。侵徹過程中變化的電場強度E可以表示為

J=σ(E+ne×B),

(2)

式(2)中,σ為電導率。通過電流密度、侵徹速度和地球磁場強度可以得到侵徹過程中的電場變化。

本文采用的基于超高速侵徹電磁效應的計層方法是基于侵徹戰斗部侵徹多層目標過程中彈體內的電場信號,分析并提取其偽周期侵徹特征,進而識別侵徹戰斗部飛行、入靶、出靶歷程,完成層數識別。

1.2 基于多傳感信號融合的計層原理

本文針對動能侵徹彈藥高速侵徹多層目標時,傳統侵徹計層方法所采用的單物理域傳感信息對環境抗干擾能力差、數據質量可靠性低、目標特征信息提取有限,無法滿足不可預測的復雜多變侵徹環境的感知要求,提出一種基于多傳感信號融合的侵徹引信計層方法。區別于傳統多傳感信息融合方法將多個信號串行疊加為一個信號,本文方法是數據層與決策層相結合的多源信息融合模式,并基于融合結果進行計層決策,可以更好地滿足實時、精準識別的要求。

首先考慮過載信號和電磁感應信號間的時序相關性與互補性,利用互相關濾波算法將兩路信號融合為一個信號,實現了多場信息間的動態融合,從而避免關鍵層目標信息的丟失,也在一定程度上消除了單一信號計層不準的問題。在多層侵徹過程中,過載信號和電磁感應信號的偽周期性[9]使得融合信號也具有偽周期的特征,因而可以通過特征峰判斷侵徹層數[10]?？紤]到直接采信融合結果并設定出入靶閾值來識別層目標[10],會將粘連過載和電磁干擾的不確定性信息引入到融合結果中且無法滿足自適應識別的需求,因此本文提出的方法將基于數據層融合結果,再從決策層融合的角度分析融合信號的達峰特性進而確定計層策略。利用融合信號的一階差分序列和序列極值差識別彈丸的入靶和出靶行為,無需根據不同侵徹工況重新調整侵徹判據(如觸發閾值、信號峰值、層間延時參數等),可以適應復雜變結構目標侵徹工況。

本文方法對力場-磁場-電場多物理域感知信息進行融合和互補,從橫向和縱向上擴大了時間、空間等多維感知范圍,利用兩路傳感信號之間的相關性克服了單一信息存在的工作盲區,可以滿足超高速侵徹引信復雜多變的感知要求。

2 多傳感信號特性分析

利用電磁感應信號和過載加速度信號實現侵徹過程中的層數識別,需要對力場-磁場-電場多物理場時空信號進行特性分析,探究多敏感信號的互關聯特性,為基于多信息融合的計層算法設計提供信息支撐。

本文選取600 kg大型戰斗部超高速侵徹多層混凝土靶板為研究對象。采用LS-DYNA軟件建立彈引結構的有限元分析模型,獲得戰斗部1 700 m/s速度侵徹4層目標的過載加速度信號;采用AUTODYN軟件的SPH模塊對超高速侵徹多層靶板進行數值模擬,獲得電場強度和磁感應強度的時間序列信號。

2.1 侵徹過載信號特性分析

首先,利用侵徹過載信號來分析彈丸超高速碰觸目標、侵徹目標、穿透目標、侵出目標一系列歷程,并從過載峰值、過載持續脈寬、層間系數[11]三個方面分析戰斗部超高速侵徹多層混凝土靶板時引信過載信號的時頻域特性。600 kg戰斗部1 700 m/s速度侵徹3 m等間距4層目標的過載加速度信號如圖1所示。

圖1 侵徹過載加速度曲線Fig.1 Acceleration curve of penetration overload

由圖1可以看出,超高速侵徹時,引信經由加速度傳感器獲得的過載信號上疊加了大量的振蕩信號,高頻振蕩信號將目標層信息完全淹沒,層間過載彼此粘連,呈現出強非線性。盡管彈丸碰靶時過載信號幅度變化較大,過載峰值約為10.5萬、15.0萬、16.1萬、14.5萬g,便于直觀地識別到4層目標,但是信號振蕩明顯,其過載脈寬為1.81、1.95、1.86、1.87 ms,難以準確地識別到碰靶時刻,且其層間系數為36 427.26、48 198.51、50 065.73,信號呈現強粘連性,難以清晰識別目標層。此外,過載信號存在大量的重復趨勢,而其周期長度表現不盡相同,呈現出偽周期性特征[9]。

綜上,超高速侵徹過載信號具有強非線性、粘連性、偽周期性,其偽周期特征對計層識別研究具有意義,但是應力波與剛體過載的粘連特征及非線性變化使得該偽周期時間序列具有非平穩性,進而干擾偽周期特征峰的識別和濾波頻率的選擇。此外,每個周期段內存在過載信號的跳變,它反映了該周期段內數據總體特征[9]。因而,在未知過載信號動態變化的內在機理時,平滑濾除跳變信號會造成特征信號的丟失,并降低對環境抗干擾能力。

2.2 侵徹過程電磁感應信號特性分析

超高速侵徹時,具有較高磁導率和電導率的彈體在地磁場中運動會引起較為明顯的電磁效應[8]。當彈體侵入靶板時,隨著彈體速度的下降,壓縮磁場速度發生改變,磁場持續向外擴散,空間磁場分布模式發生變化,彈體內的磁感應強度和電場強度相應發生變化。本文中,600 kg戰斗部外殼和頭部材料為g50鋼,混凝土靶板材料為C40混凝土,均具有較高的電導率和磁導率?；谠搹棸胁牧?戰斗部1 700 m/s速度正侵4層靶板,初始狀態下彈體頭部距離第一層混凝土靶板前表面為1.1 m。仿真獲得的彈尾引信部位電磁場強度時間曲線如圖2所示,電磁場信號特征與侵徹過程的關系如圖3所示。

圖2 彈體內部監測點電磁場強度時間曲線Fig.2 Time sequence curve of electromagnetic field intensity at the internal monitoring point of the projectile

圖3 電磁場信號特征與侵徹過程的關系Fig.3 The relationship between the electromagnetic field signal characteristics and the penetration process

圖4 多層混凝土靶板仿真模型Fig.4 The simulation model of multi-layer concrete target

由圖2可以看出,當彈體超高速侵徹4層靶板時會產生明顯的電磁信號,電場強度和磁感應強度的時空分布和變化規律能夠用于侵徹層數識別。由圖3可以看出,每次侵徹靶板速度的變化以及碎片云形狀的差異,造成彈體產生等離子體電荷峰值的差異,進而使得彈體內電磁場強度曲線在每次碰撞后具有不同的振蕩幅值和脈寬。具體來說,當彈體超高速侵徹第1層靶板時,產生的電磁信號明顯,波形也相對簡單;進行第2、3、4次碰靶時,彈體較上一次具有更高的碰撞面積,更多的動能轉化成內能并產生了更多的等離子體,而上一次碰撞產生的等離子體量會保持在一個固定的值且不會隨著碰撞結束而消失,因而電磁信號變化的劇烈程度逐次增強。結合圖2和圖3可以看出電磁場強度曲線的重復趨勢相似,呈現出偽周期特性。此外,碰撞過程中碰撞條件(如碰撞數據、著靶姿態等[9])的不確定性、碰撞產生等離子體數目的不確定性等,使得電磁場強度曲線的非線性變化呈現出隨機性,因而其周期特征峰難以辨別,碰靶時刻難以確定。

綜上,超高速侵徹電磁場信號具有強非線性、隨機性、偽周期性,其相鄰波包分界明顯對計層識別研究具有意義。目前,基于地磁信號的侵徹計層方法[12-13]鮮有研究,基于超高速碰撞電磁效應的侵徹計層相關研究還尚未開展,而基于電磁效應的侵徹計層方法在超高速侵徹時具有較高的可靠性,可以將其作為基于過載信號的計層方法的有效補充。此外,電場強度和磁感應強度時間曲線均可識別到4層目標,但考慮工程應用中信號獲取的便利性,本文僅將電場信號作為層識別信號。

3 多源信息融合的計層方法

多物理場信息能解決基于單一信號目標識別方法的局限性,但是數據存在兩面性,多變量間的復雜關聯性、多維數據引入的信息冗余亦會影響對侵徹目標的精準自主識別。基于多物理場的侵徹過載信號融合處理方法是計層識別方法設計的關鍵,本章將對這兩部分內容進行設計說明。

3.1 多源信息融合方法

本文采用核主成分分析法(KPCA)對多源異類傳感信息進行降維融合,利用獲得的復合信號來識別侵徹層目標。該方法充分考慮了超高速侵徹過載信號和電場信號之間的相關性和互補性,在盡可能保留更多有效原始特征主成分的同時消除了冗余信息,可以獲得過載信號和電場信號組合特征的最佳描述,進而保證后續計層識別的精準性。同時,通過第2章中多源異類信號的特性分析可知,過載信號和電場信號均是強非線性和偽周期性的,因而KPCA方法可以利用高斯徑向基核函數來解決兩類信號特征提取和數據壓縮中線性不可分的問題。

考慮到力場、電場信號采集的差異性,首先對兩類信號進行時間同步處理,并保證每類信號包含的相等數據點數N。將兩類傳感信號進行串行組合,組成原始樣本空間X={x1,x2},其中每路傳感信號可以用m個數據來表征其侵徹特征xi∈Rm。然后,將多源傳感數據X通過非線性變換函數Φ(X)映射到高維特征空間F,并在F中進行主成分分析法,以期在線性可分的更大空間中選擇合適的特征向量。

在高維特征空間F中映射數據xi的協方差矩陣可以表示為

C=∑Φ(xi)Φ(xi)T。

(3)

假設協方差矩陣C特征值λ對應的特征向量為ω,則有：

∑(Φ(xi)Φ(xi)T)ωi=λiωi。

(4)

在高維映射空間中,特征向量ωi可以利用樣本集合Φ(X)來進行線性表示,ωi=αΦ(xi),則式(4)可以重寫為

∑(Φ(xi)TΦ(xi)Φ(xi)TΦ(xi))α=λiΦ(xi)TΦ(xi)α。

(5)

考慮過載信號和電場信號的強非線性,本文采用高斯核函數kij來優化高維空間內積運算,通過構建核矩陣K,求解K的特征值和特征向量來得到協方差矩陣C的特征向量。則式(5)中的內積運算可以表示為

(6)

K=(kij)2×2。

(7)

獲得特征值λ=(λ1,λ2)及主成分特征向量ω=(ω1,ω2)后,按主成分方差貢獻率指標選擇最重要的特征向量,特征向量就是各傳感信息標準化后因子權重值。在本文中,σ2的取值為第一主成分貢獻率趨于穩定時對應的值。

然后使用第一主成分來代表融合后的特征信息,其數學模型為

F1=ω11zx1+ω21zx2,

(8)

式(8)中,ω11和ω21是協方差矩陣中重要特征值對應的特征向量,zx1和zx2是原始變量經過處理值。過載信號和電場信號具有不同的量綱,因而其實際應用前需要進行標準化處理。

3.2 計層識別策略

基于第3.1節中融合后的傳感數據,從決策層融合的角度分析復合信號的達峰特性進而識別引信的侵徹層數?？紤]到基于入靶閾值和出靶閾值的侵徹層數判別方法難以滿足多工況、自適應決策的需求,利用復合傳感數據的一階差分序列和差分序列極值差自主識別彈丸的入靶和出靶行為,而無需根據不同侵徹工況重新調整侵徹判據(如觸發閾值、信號達峰值、層間延時參數等)。

鑒于首層侵徹零點識別的準確性將提升計層識別的可靠性,因此在滑動窗內同時采集過載信號、感應電場信號,通過信息融合的方式識別彈丸首層侵徹狀態。在滑動時間窗內,將過載信號和電場信號分別與各自的觸發閾值比較,當兩路信號各自有效的計次數大于等于設定次數,且累積識別用時小于等于設定時間,判定為彈體首層碰靶。

在其他層目標識別時,基于第3.1節中的復合信號完成彈體的侵入、侵出過程判別并完成侵穿計數,具體過程如下：

在侵入過程識別時,可根據侵徹目標、侵徹速度,預估層間時間間隔ΔTI,并采用ΔTI的x%時間間隔來判別彈體的狀態。動態滑動采集時間窗ΔTr(ΔTr<ΔTI·x%),可獲得多傳感復合信號、復合信號一階差分序列、復合信號極值差,當差分序列非負值計次數大于等于設定次數,且極值差大于等于設定值,判定為彈體當前為侵入狀態。

在侵出過程識別時,采用ΔTI的y%時間間隔來判別彈體的狀態。動態滑動采集時間窗ΔTd(ΔTd<ΔTI·y%),可獲得多傳感復合信號、復合信號一階差分序列、復合信號極值差,當差分序列非負值計次數大于等于設定次數,且極值差大于等于設定值,判定為彈體當前為侵出狀態。

每同時成功完成一次侵入、侵出過程識別,侵穿計數增加一次。

4 基于多源信息融合的侵徹計層仿真實驗

通過仿真超高速侵徹過載數據和感應電場數據來驗證基于多源信息融合的超高速侵徹引信層數識別方法的有效性。仿真采用600 kg戰斗部超高速侵徹多層混凝土靶板時的數據,其中,彈體和多層混凝土靶板圖如4所示,第一層混凝土靶板厚0.3 m,后面三層混凝土靶板厚度均為0.18 m,相鄰各層混凝土靶板前表面間距為3 m,靶板寬度為6 m。侵徹過載數據如圖1所示,彈尾引信部位的監測點電場信號如2所示。

在侵徹過程信號的特征提取過程中,僅需要從多傳感信號中選出能夠代表層目標的數據并將其作為計層識別方法的重要特征。利用核主成分分析算法,在最小均方誤差條件下,尋找新向量在使數據降維的同時保留原始數據的主要信息,采用方差最大的變量作為第一主成分,即可獲得如圖5所示的復合信號,縱坐標表示兩路傳感信號歸一化融合后的幅值,采用動態滑窗的方式獲得。由圖5可見,該復合信號與原始侵徹過程信號一致,具有明顯的偽周期特性,且具有明顯的幅值陡變特征,這與彈丸超高速侵徹4層混凝土靶板的整個過程完全吻合。復合信號利用電場信號的有效信息解決了傳統過載信號粘連導致計層不準的問題,同時相比于單一的電場信號可以為碰靶時刻的確定提供更清晰的目標信息。

圖5 多傳感復合信號Fig.5 Multi-sensing composite signal

基于復合信號進行侵徹計層識別,仿真結果與本文方法識別結果如表1所示。對比結果表明,本文方法可以有效識別每次的碰靶時刻。進一步評估本文方法的準確性,由識別時間與仿真時間的相對誤差可以看出,相對誤差控制在10%以內,具有較高的計層精度。

表1 仿真結果與本文方法識別結果的比較Tab.1 Comparison between simulation results and identification results of this method

5 結論

本文針對超高速侵徹環境惡劣、過載信號粘連,導致現有計層識別算法精度低、自適應差的問題,提出一種電磁信號與過載信號融合的超高速侵徹引信計層識別方法。該方法采用侵徹過載信號、感應電場信號作為引信超高速侵徹過程中層目標識別的特征信號,從力-磁-電多物理場角度分析彈丸的侵穿行為,利用多源信息來提高目標識別的自適應性;考慮多源信號的相關性和互補性,采用核主成分算法對多源異類傳感信息進行降維融合,利用獲得的復合信號作為層識別依據以提高計層控制的精準性;

引信超高速侵徹多層鋼筋混凝土靶板情況下入靶、出靶判別及多目標層計數識別方法。仿真表明,本文方法可以有效識別侵穿次數、碰靶時刻且識別時間相對誤差控制在10%以內,能滿足彈丸超高速侵徹過程中精準自主計層起爆控制的要求。