劉紅 邢永禎 夏華

摘要：武器系統(tǒng)毀傷效能評(píng)估的主要方法之一是通過沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行采集，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，評(píng)估性能的好壞取決于信號(hào)處理方法是否合適。本文針對(duì)沖擊波信號(hào)頻帶寬、易突變、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，采用了基于小波的多分辨分析方法對(duì)膛口沖擊波信號(hào)進(jìn)行去噪，不僅有效地濾除了信號(hào)中的雜質(zhì)信號(hào)，而且減少了延時(shí)。然后讀取各傳感器去噪信號(hào)的超壓峰值，并根據(jù)其不同的擺放位置，利用插值的方法對(duì)沖擊波壓力場(chǎng)進(jìn)行建模。最后對(duì)沖擊波場(chǎng)模型進(jìn)行了誤差分析。

關(guān)鍵詞：沖擊波測(cè)試；小波分析；插值

中圖分類號(hào)：TJ3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

膛口沖擊波是在火炮發(fā)射時(shí)，彈丸飛出后高溫高壓的火藥燃?xì)庠谔趴诩眲∨蛎浂纬傻模鼘?duì)周圍的設(shè)施、裝備及人員都可能構(gòu)成嚴(yán)重危害，為此，各國軍方都制定了相應(yīng)的安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，而沖擊波的超壓峰值就是一個(gè)重要的基本參數(shù)，是評(píng)估武器毀傷性能的重要指標(biāo)之一。沖擊波信號(hào)具有頻域?qū)?、突變快、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，致使經(jīng)典的傅里葉變換無法從信號(hào)的頻譜中確定沖擊波信號(hào)在時(shí)域上某些瞬間的突變，即無法反映信號(hào)的時(shí)間特性[1]。而小波變換在時(shí)域和頻域都有良好的局部特征，可以聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)，為瞬態(tài)信號(hào)的后續(xù)分析提供了方便[2] ，因此本文選擇了基于小波變換的信號(hào)處理方法對(duì)沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)得到每個(gè)傳感器的超壓峰值，并根據(jù)傳感器的布置位置利用插值的方法對(duì)沖擊波場(chǎng)進(jìn)行了描述，從而給出沖擊波場(chǎng)的變化規(guī)律以及沖擊波信號(hào)的傳播規(guī)律[3]。

1沖擊波測(cè)試系統(tǒng)組成

圖1測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

本測(cè)試系統(tǒng)由兩部分組成，硬件系統(tǒng)主要包括傳感器部分、信號(hào)調(diào)理部分以及數(shù)據(jù)采集部分；軟件部分的功能主要由NI公司的LabVIEW軟件來實(shí)現(xiàn)。傳感器通過感受外部沖擊波的壓力，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)調(diào)理電路的濾波放大，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)采集卡中，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，上位機(jī)通過程序編寫讀取數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)據(jù)。圖1是測(cè)試系統(tǒng)的總體框圖[4]。

2數(shù)據(jù)處理與仿真分析

小波分析

在膛口沖擊波超壓測(cè)試中，由于外界環(huán)境的干擾或火炮發(fā)射時(shí)造成的測(cè)試儀器的振動(dòng)等原因，采集到的沖擊波信號(hào)不可避免的會(huì)疊加各種噪聲，圖2是某型號(hào)火炮發(fā)射時(shí)的膛口沖擊波超壓信號(hào)波形圖，信號(hào)中夾雜有許多雜波信號(hào)。為了提取出有效的膛口沖擊波信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，濾除信號(hào)中的雜質(zhì)信號(hào)，保留有用信號(hào)。本文采用了巴特沃斯濾波器和小波濾波來對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行了預(yù)處理，并分別給出了采用兩種不同的濾波器去噪的沖擊波波形圖。

圖2原始數(shù)據(jù)波形圖 圖3小波去噪后的沖擊波波形圖

由圖3可知，利用小波分析對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行去噪，處理后的信號(hào)與原信號(hào)的吻合度特別高，幾乎沒有延時(shí)現(xiàn)象，不但有效的濾除了信號(hào)中的雜質(zhì)信號(hào)，而且保留了信號(hào)的突變信息，為后續(xù)準(zhǔn)確計(jì)算沖擊波可持續(xù)時(shí)間、超壓峰值、以及沖擊波壓力場(chǎng)分析等的精確性提供了保證。通過上述對(duì)比表明小波去噪更適用于對(duì)膛口沖擊波信號(hào)這種非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的去噪[5]。

3誤差分析

本文采用插值的方法對(duì)傳感器測(cè)試的沖擊波場(chǎng)進(jìn)行分析，因此在布設(shè)的每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的位置上，數(shù)據(jù)均與傳感器的數(shù)據(jù)相同，不存在誤差。為了評(píng)估建立模型的好壞，我們假定為數(shù)不多的傳感器中有一個(gè)在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)損壞，不能為這個(gè)沖擊波場(chǎng)建模提供數(shù)據(jù)，于是采用如下方法來對(duì)傳感器測(cè)試的沖擊波場(chǎng)進(jìn)行建模：即去掉一個(gè)傳感器的值，用周圍傳感器插值得到的值來估計(jì)去掉傳感器的實(shí)測(cè)值，用估計(jì)的值與實(shí)測(cè)值比較，并計(jì)算其誤差，最后比較測(cè)點(diǎn)的位置對(duì)誤差的影響。

操作步驟：任意設(shè)一個(gè)傳感器有問題，則程序不再讀入該傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)其他的傳感器數(shù)據(jù)對(duì)沖擊波場(chǎng)進(jìn)行建模，并將建模后的數(shù)據(jù)與傳感器實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并按公式（5）方法進(jìn)行誤差計(jì)算：

（1）

式中：為沖擊波壓力場(chǎng)模型的相對(duì)誤差，L為插值得到的沖擊波在該位置的估計(jì)值，R為該位置傳感器的實(shí)測(cè)值。

計(jì)算插值得到的值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差的絕對(duì)值。絕對(duì)值越大說明誤差越大，絕對(duì)值越小說明誤差越小。

采用V4插值方法，比較去掉不同位置傳感器的誤差，表1列出了其中4次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，即去掉相應(yīng)位置傳感器數(shù)值后實(shí)測(cè)點(diǎn)與預(yù)測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)誤差。

從表1中可以看到當(dāng)去掉的傳感器處于邊界位置時(shí)，即表中的1號(hào)、8號(hào)，估算值與實(shí)測(cè)值計(jì)算出來的誤差比較大；而當(dāng)去掉中間位置的傳感器，比如3號(hào)和10號(hào)時(shí)，計(jì)算出來的誤差會(huì)相對(duì)較小，估計(jì)值更接近實(shí)測(cè)值。數(shù)據(jù)分析表明該模型對(duì)中間位置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行估算相對(duì)更準(zhǔn)確，在實(shí)際測(cè)試中，若中間位置某傳感發(fā)生故障，可以利用本方法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)。

4結(jié)論

針對(duì)沖擊波信號(hào)的特點(diǎn)，通過與傳統(tǒng)數(shù)字濾波方法相比較，采用了基于小波分析的信號(hào)分析方法對(duì)傳感器采集到的非穩(wěn)態(tài)沖擊波信號(hào)進(jìn)行了去噪處理；并對(duì)沖擊波信號(hào)的主要特征參數(shù)超壓峰值進(jìn)行了計(jì)算，最后利用V4樣條插值方法，建立了沖擊波壓力場(chǎng)的模型，直觀的表現(xiàn)了膛口沖擊波的傳播規(guī)律；最后通過誤差分析，估算了不同位置傳感器失效時(shí)的模型估算誤差。

參考文獻(xiàn)

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