系留气球拉力传感器数字滤波算法研究

2012-09-30段玲琳叶明傲

火控雷达技术 2012年1期

段玲琳叶明傲

(中国电子科技集团公司第38研究所合肥 230088)

1 引言

在系留气球系统中拉力传感器安装在系留部件上，如图1所示，用于测量缆绳的张力，且其输出灵敏度为mV/V的弱模拟信号。缆绳的张力与系留气球放飞的状态和环境风速有密切的关系，张力超限必须回收系留气球，但是如果发生虚警而回收系留气球会影响任务的完成，所以缆绳张力测量的准确与否密切关系到系留气球放飞的安全性和工作效率。

由于系留气球是一种浮地的系统，抗干扰能力差，而且系留气球体积庞大，拉力传感器的供电和信号采集都必须采用长线传输方案，电缆在走线过程中不可避免会出现模拟信号线、数字信号线、控制线和电源线在一个线束中排线的情况，这样线间耦合产生传输过程的干扰［1］。拉力传感器工作中还受到主要来自放飞现场的雷达、无线电通讯设备、等的电磁辐射脉冲干扰。

图1 拉力传感器安装位置

滤波方法是抑制干扰的一种有效途径，可利用硬件滤波器电路或软件滤波器算法提高测试数据的准确性。硬件滤波措施是使用较多的一种方法，技术比较成熟，但同时也增加了设备，提高了成本，而且电子设备的增加有可能带来新的干扰源。而软件滤波算法不需增加硬件设备，可靠性高，功能多样，使用灵活，具有许多硬件滤波措施所不具备的优点，当然它需要占用一定的资源。

2 常用的数字滤波方法

2.1 针对随机干扰的滤波方法

2.1.1 限幅滤波法

根据经验确定出两次采样的最大偏差Δ，若先后两次采样差的绝对值大于Δ，表明输入为干扰信号，应剔除;差的绝对值若小于或等于Δ，表明没有受到干扰，本次采样值有效。这样可以滤去随机干扰和传感器不稳定而引起的误差［2］。

2.1.2 中位值滤波法

连续采样N次(N取奇数)，把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。这样能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果［3］。

2.2 针对抖动的滤波方法

2.2.1 算术平均滤波法

连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低，N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高［4］。适用于在某一数值范围上下波动受到随机干扰的信号进行滤波，对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用［5］。

2.2.2 消抖滤波法

采样当前值持续与当前有效值不等，则采样当前值有效。可能会将干扰值当作有效值导入系统。

2.3 针对脉冲式干扰的滤波方法

中位值平均滤波法:又称防脉冲干扰平均滤波法。连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N－2个数据的算术平均值。可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，测量速度较慢。

3 信号分析

系留气球整个放飞过程分为系留、爬升、滞空、回收、系留这五个过程。系留中由于缆绳不受力，所以拉力传感器的理想输出为0;爬升过程中缆绳从松弛状态突然绷紧受力，拉力传感器的输出突然增大，然后随着爬升的高度缓慢增大;在滞空过程中缆绳的张力受到环境风速和风向的影响在一定范围内波动;回收过程是爬升的逆过程，在转到系留过程的瞬间缆绳张力突然减为0。从整个放飞过程来分析，拉力传感器的输出存在突变的过程，所以在数字滤波方法的选择中既要滤去干扰信号又必须在系统允许的时间内保持对突变信号的敏感度，否则张力值不能反映放飞的真实状态。

系留气球主要完成对地或者对低空的侦查任务，不可避免会受到雷达信号的干扰。雷达信号一般为占空比小于20%的周期性脉冲信号，所以针对此种干扰信号的特点，数字滤波算法必须能够滤除脉冲干扰信号。

系留气球是一个浮地的系统，长期的滞空环境导致电子设备上积累了大量的电荷无法释放，所以系留气球的电子设备的内带电现象非常严重。此外系留气球的电讯系统是一个混合系统，包含了传感器输出的模拟或者数字的弱信号以及无线通信的高频信号，所以其所谓的地线上的干扰也相当严重。