激光光幕战斗部破片速度测试系统的信号处理*

刘 吉，赵冬娥，于丽霞，周汉昌

(1中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051;2仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)

0 引言

战斗部利用爆炸后产生的破片进行杀伤和摧毁目标，因此，破片的飞行速度是衡量其杀伤效能及毁伤效率的主要参数。但由于破片体积小、数量多、形状不规则、速度高、飞行方向任意、散布大、测试环境恶劣等因素，破片速度参数测试困难很大。以激光幕为核心的破片速度测试技术，可实现非接触的多破片速度测试。但爆炸场中测试环境恶劣，破片过靶信号容易受到干扰。因此，破片信号处理技术成为该系统关键技术之一。

1 激光光幕战斗破片速度测试系统

激光光幕破片速度测试系统，由激光测试主机、地面合作目标、高速数据采集系统、计算机或嵌入式主机及破片参数测试专用数据处理软件组成，如图1所示。

每个激光测试主机以激光作光源，利用发射光学系统产生两个相互平行、距离确定的激光光幕，匹配地面反射装置，分别作为启动激光幕和停止激光幕，构成区截靶，如图2所示。激光光幕投射到合作目标，反射到接收光学系统，由光电探测模块接收。当破片飞过光幕区时，光电探测模块将光通量的变量转化成电信号，经光电信号调理模块形成破片过靶信号，高速数据采集装置将破片过靶信号读入计算机并处理获得各破片速度。

图1 破片参数测试系统组成框图

图2 激光光幕破片速度测试系统原理

2 破片过靶信号去噪处理

破片信号处理的基本步骤如图3所示。

图3 破片信号处理基本步骤

本系统中，首先对破片信号进行小波分解，选择小波基并确定分解层次为N。然后对小波分解的高频系数进行门限阈值量化处理。最后根据小波分解的第N层低频系数和经过量化后的1～N层高频系数进行小波重构，达到消除噪声的目的。采用小波包bior3.9，进行抽取小波变换，小波离散级数设定5，对3mm预制球形破片过靶波形进行阈值小波降噪，原始波形及处理后波形如图4所示。

图4 3mm预制球形破片过靶波形进行小波降噪效果对比

3 破片过靶时间的特征点的拾取

根据定据测时法原理，速度的测试精度取决于靶距精度和时间精度。弹道不规律时，靶距误差主要来源于测距仪器的误差，而测时误差，则来源于数据采集的误差和信号处理误差。当采集设备的采样速率确定时，测试精度主要取决于过靶时刻特征点的选取。对于非预制破片的战斗部，爆轰产生的破片形状和飞行姿态无法预知，同时可能会产生燃烧不充分的炸药颗粒一同飞散。此时，适合采用峰值法寻找特征点相对可靠。峰值算法为设置一个阈值，使用二次多项式依次拟合数据点中的各组数据，求波形中的各个波峰，对于每个波峰二次拟合与阈值进行比较，低于阈值的波峰将被忽略，典型波形的峰值选取如图5所示。

图5 峰值法获取破片过靶时刻

4 恶劣环境下破片过靶信号的分析方法

4.1 强振动、强火光情况下信号分析方法

破片参数测试时，常伴有强烈振动和火光，导致波形基线大范围起伏，前述时域算法中的峰值算法不再适合测试的要求。而小波变换是非常适合非平稳信号的时频分析，采用双正交小波的构造方法中的提升算法来构造小波函数，该方法既保留了传统小波的特性，同时又克服了原先小波构造中对傅里叶变换的依赖性，完全基于时域。变换过程分为分裂、预测和更新3个阶段。

采用双正交小波Bior3.1分解波形再查找在所有层次上过零点系数，在不同尺度上查找过零点峰值。典型波形如图6所示，可以看出尽管波形出现较大起伏，各处峰值可以准确获取。

图6 小波多尺度峰值检测起伏较大的波形

4.2 破片先进后出时信号处理方法

当破片穿过两个光幕时，由于破片倾斜入射光幕，可能会出现有的破片先于其它破片通过启动光幕，却后于其它破片通过停止光幕，即破片先进后出。此时，破片经过两靶的波形将不再是前后对应的时序关系。为了分析该情况，可通过计算两光幕破片信号的相关系数，来确定信号的归属。在激光光幕测速系统中，采集到的同一破片穿越两个不同光幕的过靶信号x(t)与ay(t)由于产生了时差，如果x(t)与ay(t)是能量有限信号，则它们的相关函数定义为:

显然，相关函数是两信号之间时差τ的函数。同一破片穿过两激光幕所获得的信号是相关的，利用相关的算法确定两者间的时间间隔，就是求解使上述相关函数的绝对值取得最大时所对应的τ值。在进行数据处理时，破片过靶信号是由采集卡采集到的一系列离散序列，上述相关算法可表示为:

如图7所示，将通过启动靶的第一个破片和通过停止靶的5个破片分别进行相关系数值的计算。当相关系数值最大时，认为是过两靶的同一破片。

多组破片过靶波形采取1对5的方式进行了相关系数值的计算，如表1所示。每组数据中均为R1最大，即启动靶中的第一个破片与停止靶第一个破片为同一破片产生的波形。因此，在识别先进后出的破片时，可根据比较相关系数值的大小来判断两靶中的破片信号是否属于同一破片。

图7 双通道破片相关系数的计算

表1 相关系数值对比结果

4.3 破片过靶信号的谱分析探讨

破片参数测试环境恶劣，容易受到爆炸火光、冲击振动、破片速度、数量不一致，同时破片密度大时，容易出现信号混叠的情况。对这种为非平稳的破片过靶信号，适合采用时频联合分析的方法，可借助频谱分析的方法，拾取特征点，进而计算出破片参数。

系统采用戈勃(Gabor)变换，从时频相面的堆砌出发，将信号按一组正交基展开，并采用时频聚集性最好的高斯窗口作为滑动窗，窗口长度设置为14，获得结果如图8。结果表明:采集得到的存在叠加的破片过靶波形2和3，5和6，在联合分析的结果中可根据频谱清晰分离。此方法可用来解决，因过靶信号的叠加在时域中难于分离的问题。

图8 战斗部过靶波形的Gabor变换

5 结论

采用JGM-P400型激光幕破片测速系统，对不同型号，不同爆炸当量，不同破片密度的测试场合进行了破片速度测试，根据上述破片处理算法可靠获取了多个破片的速度值。

表2 某型号战斗部预制破片速度测试表

图9为某型号战斗部预制破片过靶波形，此时，破片密度大于20p/m2，经 与传统靶板比对，该情况下捕获率仍可达到98%以上，尽管存在噪声干扰、过靶波形叠加等现象，仍能准确计算出每发各个破片速度，典型数据如表2所示。理论分析和实验验证说明了基于激光光幕破片速度测试系统的破片速度处理方法是正确、可行的。

图9 某型号战斗部预制破片过靶波形

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