侵彻层数全时态相对波峰检测方法研究

靳 鸿，靳书云，陈昌鑫，王 燕

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

侵彻层数全时态相对波峰检测方法研究

靳 鸿1，2，靳书云1，2，陈昌鑫1，2，王 燕1，2

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

针对多层侵彻如何计算介质层数的问题，提出了一种全时态相对波峰检测算法。该算法主要以时间信息作为层数识别的依据，利用波峰顶点与其之前、之后的数据点差值的极性来初步识别波峰个数，再基于脉宽和峰峰间隔时间信息对波峰计数值进行进一步确认，以提高侵彻层数的计数正确性。经过仿真及靶场试验，该算法对数据处理可行、正确。该算法与现有的绝对阈值比较方法相比，并不完全依赖峰值，充分利用了信号所含有的时间和幅值信息，为侵彻层数计数算法提供了一种新的设计思想。

侵彻；多层介质；相对；波峰检测

现代战争中，研究如何对地下目标、掩体或者深层建筑物进行精确打击具有重要意义。现在构成目标的介质由单层变为多层，目标内部结构日益复杂化［1］。通过对穿过的层结构计数，计算起爆前贯穿的行程，最后在准确的层数起爆，是目前灵巧引信的一种起爆方式。如美国摩托罗拉公司研制的硬目标灵巧引信，该引信采用加速度计识别不同的目标介质，如土壤、混凝土、岩石和空穴等，其作用模式包括精确延时、计层数和计行程等［2］。

对目标介质的层数进行准确计数，是为引信提供可靠、有效起爆信号的保证。计层数的方法包括基于幅值的比较和基于介质的识别［3］。其中，关于介质的识别多关注于侵彻过程的特性研究和仿真［4］；幅值的比较由直接测取的加速度信号和预先设置的阈值进行比较，但是侵彻信号的幅值与弹丸的几何尺寸、着靶速度、弹着角、攻角、弹丸材料特性、靶板结构形式和材料性质等因素有关［5－6］，阈值的确定存在不确定性。

本文采用相对比较算法，以时间信息作为判断的依据，而不是传统的峰值阈值判断方法。首先，将当前采样点与其之前的历史信息和之后的未来信息进行相对比较，利用波峰顶点与两边数据点差值的极性来初步识别波峰个数；其次，利用波峰的脉宽时间信息对峰值个数进行进一步的确认，将不符合脉宽信息的干扰脉冲排除；最后，再利用峰峰间隔时间信息对波峰误计数进行排除，提高层数计数的正确性。

1 侵彻层数计数算法

多层侵彻加速度信号具有明显的多峰特性，峰值个数与侵彻层数具有一定的对应关系，如何准确检测出波峰的数量对于层数计数非常关键［7］。

1.1 波峰检测算法

采用LS-DYNA对多层侵彻的加速度仿真，所得波形如图1所示，图中被侵彻介质为钢板，层数为5层。由图1可看出，侵彻的层数与波峰个数密切相关，通过波峰的检测是可以准确计算侵彻的层数。

图1 弹体侵彻5层钢板加速度－时间曲线Fig．1 The acceleration curve of projectile penetration 5 layer steel target board

1.2 峰值检测算法

由于阈值的不确定性，采用幅值比较的方法在应用时非常受限。即，阈值的选取根据具体的参数、条件、介质类型、初速等条件密切相关，这是一种绝对的比较方式。

对于多峰值的检测，还可以采用求极值的方法，但是由于侵彻实际曲线存在多种因素的干扰，波形并不光滑，所以出错率较高。如图1所示，图中第一个波峰按照求极值的方法存在四个极值点，大于实际有效波峰的个数，导致计层数有误。

2 全时态相对波峰检测算法设计

对于侵彻加速度信号所包含的信息，包括纵轴方向的幅值信息和横轴方向的时间信息，纵轴可以分析数值的大小，横轴可以分析不同时刻加速度曲线的特征。

2.1 信号的时间信息与波峰检测算法思想

全时态相对波峰检测算法通过数据点逐点比较，利用过去、现在、将来的时间信息确定峰值个数。在波峰的峰值点处，历史与未来时刻的数据值都大于（正向）或小于（负向）其值，依据此特性识别峰值个数。

在对实测加速度曲线进行处理时，利用波峰顶点与两边数据点差值的极性来识别波峰的个数，在某些情况下，会受到一些干扰的影响，所以全时态相对波峰检测算法还包括其它的时间信息作为层数判断的依据。侵彻加速度信号所包含的时间信息主要包括脉冲的宽度和峰峰间隔等。

脉宽信息与侵彻条件相关，对不同介质、不同厚度、不同初速度的侵彻条件进行数值模拟实验，加速度信号波形如图2所示。从图中可以看出，侵彻条件不同，脉冲的脉宽有所区别，因此，可以根据脉宽信息进一步建立判断侵彻波峰个数的约束条件。

图2 不同的侵彻条件，脉宽信息不同Fig．2 Penetration of different conditions，different pulse width information

在已知侵彻介质情况时，可以通过弹体初速度和介质之间的距离估算出峰峰值之间的间隔时间，以此为依据，进一步提高层数判断的正确性。

2.2 算法设计

图3 算法流程图Fig．3 The flow chart of algorithm

如前所述，侵彻加速度信号所包含的信息，不仅是时间信息还有幅值信息，充分利用所有信息既不会浪费资源又能提高判断的正确性。与之前层数计数方法利用绝对幅值判断层数不同，幅值信息在全时态相对波峰检测算法中用来解决测试数据可能存在的基线抖动、小幅振荡等问题。因此，全时态相对波峰检测算法还增加了基线去抖、相对阈值法［9］去除小幅振荡等数据处理环节。

算法流程如图3所示。

3 全时态相对波峰检测算法的实现

全时态相对波峰检测算法从过去、现在、将来全时态进行数据比较，结合实测信号特点，从纵轴考虑，用相对阈值的方法将一些抖动、小幅振荡去掉，避免基线波动对计层数的影响；从横轴考虑，结合试验条件利用脉宽范围、峰峰间隔进一步对识别的波峰进行判断，确保识别的正确性。

3.1 信号预处理

在实测曲线处理时，信号波形由于干扰及应力波的影响，出现大量振荡信号。峰值的绝对阈值计层方法，因为将峰值作为判断条件，所以对信号滤波时截止频率的选择非常关键［8］，以免滤波造成波形幅值失真。在这样的前提下，滤波截止频率的选取不能过低，防止幅度衰减，但是，这样选取的截止频率同时会导致无法完全去除干扰的影响。

全时态相对波峰检测算法由于不依据具体峰值，在波形预处理时，截止频率的选择具有相对宽的范围，可以保证波形的光滑，为后续的处理提供条件。

3.2 波峰检测的实现方法

利用以上算法思想进行多条实测数据处理调试，不断进行改进，才最终形成了全时态相对波峰检测算法。信号预处理后，算法的实现，主要包括基线去抖、小幅振荡信号的消除、数据逐点比较与方向判断、脉宽和峰值间隔时间的判断等。

3．2．1 基线去抖与小幅振荡信号的消除

侵彻加速度信号的基线往往存在一些抖动，其脉冲曲线上有时还会存在一些小幅的振荡，这些干扰会影响层数计数的结果，如图4所示的弹体侵彻单层混凝土靶板加速度曲线。基线去抖是指将基线上存在的小的抖动通过阈值比较的方法将其去掉，使基线达到理想的平滑状态［10］。小幅振荡信号的消除采用相对阈值的方法将大于抖动的一些小幅振荡去掉。

由于基线抖动的数值往往很小，可以设定某一小幅阈值a（a＞0），在y轴方向绝对值小于a的数据都等效为0，这样就避免了将基线波动的无效峰值检测为有效波峰的误判断。设信号最大峰值为b，将小幅振荡消除的阈值设定为b的1／5，小于此值的振荡不计入层数的计数值内。关于此阈值的确定可以根据具体的实验情况进行调整。

图4 弹体侵单层彻混凝土靶板加速度曲线Fig．4 The acceleration curve of projectile penetration 1 layer concrete target board

3．2．2 数据逐点比较与方向判断

假设曲线总点数为q，从曲线中第一个点开始连续选取n个点，记为i1、i2、i3、i4，…，in，将各点与点i（n＋1）／2比较，如果其余各点均大于（负向）或小于（正向）点i（n＋1）／2，则判断为一个有效波峰，不满足则不是有效波峰。然后再从第二个点开始判断，直到点为q－n为止。这时，波峰个数即为m。

式中：h为最薄靶板厚度，v为弹体初速度，f为数据记录仪的采样频率。

3．2．3 脉宽信息

在实际测试时，由于弹头变形或者弹体振荡会出现脉冲信号多峰的情况，如图5所示。

图5 弹体侵彻3层钢板加速度曲线Fig．5 The acceleration curve of projectile penetration 3 layer steel target board

根据实际情况设置脉宽信息的最小值tmin，如检测到某个脉宽t5大于tmin时，记做此脉宽为有效脉宽；当检测到某个脉宽t1、t2、t3、t4小于tmin时，则需判断在某个范围内是否有相邻的脉宽，如脉冲t4前后都没有脉冲，则认为其为无效脉宽，将其舍去，但t1、t2、t3其前后有相邻脉冲，则将t1、t2、t3脉冲宽度相加，求出脉宽t，并将其与tmin比较，其值大于tmin则将其记为有效峰值，反之，认为为无效峰值，将其舍去。经过脉宽信息判断，波峰个数变为m1。

3．2．4 峰值间隔时间

对于两层侵彻的波峰之间可能存在一些干扰（如图5所示），这些干扰若累计脉宽tr与之前所设定tmin相比也满足：tr＞tmin，则可以利用侵彻间隔时间进行排除，峰值个数记为m2。

峰值间隔时间与弹体初速度v和侵彻介质厚度h、侵彻介质之间间隔距离s有关，由于实际侵彻中存在速度的衰减，所以最低时间以速度没有衰减的理想情况计算：

4 算法仿真及试验

将实现的全时态相对波峰检测算法进行实验，以验证其可行性，包括对侵彻仿真曲线和实测的侵彻曲线的处理。

4.1 算法仿真

图6 对仿真侵彻加速度数据的处理结果Fig．6 The result of processing acceleration data

图7 对试验实测侵彻加速度数据的处理结果Fig．7 The result of processing measured data

用LS-DYNA对弹体侵彻3层混凝土靶板进行仿真，仿真建模方法同参考文献［11］仿真加速度曲线如图6 （a）所示。用全时态波峰检测算法对其进行处理，各处理环节结果分别见图6（b）、（c）、（d）、（e）、（f），通过以上环节的处理，所得侵彻层数与仿真设置层数一致。

4.2 实测试验

为进一步对算法进行验证，进行了靶场相关试验。试验采用国产988型压电加速度传感器，通过电荷放大器进行电荷—电压量转换，电压信号经过AD7492模数转换器成为数字量，转换的数字量存储在512 kB的SRAM中，试验后通过数据线将存储器中的数据读至上位机进行分析处理。

图7（a）是靶场某弹体侵彻5层混凝土板得到的实测数据曲线，基于matlab按照全时态相对波峰检测算法的流程，处理结果如图7所示。

根据图7所示各过程，首先对数据进行低通滤波和基线去抖，将存在的高频振荡和小的基线抖动去掉，图7（b）与图7（a）相比，波峰更加明显；通过小幅振荡消除得到图7（c）所示的曲线，这时检测到峰值个数为10，将不符合脉宽信息的小脉冲去掉，得到如图7（d）所示的曲线，这时检测波峰个数为6，最后通过峰峰间隔信息进一步对曲线进行处理，得到如图7（e）所示的波形曲线，其中波峰为5个，即为5层介质，到达预想的预测效果，证明了算法的正确性。

5 结 论

侵彻加速度信号包含时间及幅值等多方面的信息，充分利用这些信息可以提高侵彻层数计数的正确性。全时态相对波峰检测算法通过波峰两侧数据的极性，脉宽和峰峰间隔时间等时间信息为主进行层数的识别，并结合峰值信息对多层对加速度信号波形进行处理，以助于各项时间信息的提取。此算法已经过仿真和实测数据的处理、分析，具有一定的可行性。对于多层侵彻层数的计数方法研究是一种新的探索。

［1］欧阳科，杨永辉，阮朝阳，等．基于加速度传感器和开关信号融合的计层算法［J］．探测与控制学报，2012，34（2）：7 －10．

OUYANG Ke，YANG Yong-hui，RUAN Zhao-yang，et al．A layer count algorithm based on fusion of acceleration sensor and MEMS impact switch signals［J］．Journal of Detection and Control，2012，34（2）：7－10．

［2］郝慧艳，李晓峰，刘明杰，等．侵彻靶板过程中刚体过载特征提取方法［J］．火力与指挥控制，2012，37（12）：42－44．

HAO Hui-yan，LI Xiao-feng，LIU Ming-jie，et al．Study on rigid body overload feature extraction method in penetrating target process［J］．Fire Control＆Command Control，2012，37（12）：42－44．

［3］徐鹏，祖静，范锦彪，等．高g值加速度冲击试验技术研究［J］．振动与冲击，2011，30（4）：241－243．

XU Peng，ZU Jing，FAN Jing-biao，et al．Acceleraton shock test technology with higher values of G［J］．Journal of Vibration and Shock，2011，30（4）：241－243．

［4］Wu Hai-jun，Huang Feng-lei，Jin Qian-kun，et al．Numerical simulation on perfortion of reinforced concrete targets［J］．Explosion and Shock Waves，2003，11（6）：545－550．

［5］马佰振．多层侵彻过载存储测试技术研究［D］．太原：中北大学，2012．

［6］王成华，陈佩银，徐孝诚．侵彻过载实测数据的滤波及弹体侵彻刚体过载的确定［J］．爆炸与冲击，2007，27（5）：416－419．

WANG Cheng-hua，CHEN Pei-yin，XU Xiao-cheng．Filtering of penetration deceleration data and determining of penetration deceleration on the rigid-body［J］．Explosion and Shock Waves，2007，27（5）：416－419．

［7］胡功笠，刘荣忠，齐爱东．动能弹侵彻钢筋混凝土靶的试验研究［J］．弹箭与制导学报，2005，25（1）：24－26．

HU Gong-li，LIU Rong-zhong，QI Ai-dong．Experimental study on a kinetic energy penetrator penetrating a reinforced concrete target［J］．Journal of Projectiles，Rockets Missiles and Guidance，2005，25（1）：24－26．

［8］屈新芬，商顺昌，杨晴．影响弹丸侵彻性能的因素分析及引信方案探讨［J］．信息与电子工程，2003，1（3）：51－55．

QU Xin-fen，SHANG Shun-chang，YANG Qing．Influencing factor analysis of bullet penetrating performance and study on hard target smart fuze scheme［J］．Information and Electronec Engineering，2003，1（3）：51－55．

［9］宋萍，李科杰．硬目标侵彻武器高冲击试验和高过载传感器技术国外发展概况［J］．测控技术，2002，21（4）：30－32．

SONG Ping，LI Ke-jie．Development of the technique of high shock test on hard-target penetration weapons and highg accelerometer at abroad［J］．Journal of Detection and Control，2002，21（4）：30－32．

［10］刘立军．多层复合介质侵彻测试技术研究［D］．太原：中北大学，2010．

［11］景鹏．高g值冲击测试关键技术研究［D］．太原：中北大学，2009．

Relative wave crest detection method bases on all tenses of penetration layers

JIN Hong1，2，JIN Shu-yun1，2，CHEN Chang-xin1，2，WANG Yan1，2
（1．National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2．MOE Key Laboratory of Instrumentation Science＆Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China）

A relative wave crest detecting algorithm based on all tenses was proposed to detect the number of medium layers of multilayer penetration．With the algorithm，the time information was taken as a basis for the layer number recognition，the polarity of the difference between a wave peak apex and data points before and after the apex was used to preliminarily identify the number of the wave peak，then based on pulse width and peak-peak time interval information，the number of peaks was further determined to improve the correctness of recognizing the number of medium layers．The algorithm was feasible and correct in data processing through simulations and shooting field tests．The algorithm provided a new design thought for penetration layers recognition．It was shown that the proposed method does not rely solely on peaks，it makes full use of time and amplitude information of signals comparing with the existing absolute threshold comparison method．

penetration；multilayer medium；relatively；wave crest detecting

TJ06

A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．23．027

重点实验室基金（403120C12056）资助

2013－11－08 修改稿收到日期：2014－04－30

靳鸿女，博士，副教授，1974年生