膛口冲击波超压测试及数据分析

刘红 邢永祯 夏华

摘要：武器系统毁伤效能评估的主要方法之一是通过冲击波超压测试系统对冲击波信号进行采集，然后对采集的数据进行处理和分析，评估性能的好坏取决于信号处理方法是否合适。本文针对冲击波信号频带宽、易突变、持续时间短的特点，采用了基于小波的多分辨分析方法对膛口冲击波信号进行去噪，不仅有效地滤除了信号中的杂质信号，而且减少了延时。然后读取各传感器去噪信号的超压峰值，并根据其不同的摆放位置，利用插值的方法对冲击波压力场进行建模。最后对冲击波场模型进行了误差分析。

关键词：冲击波测试；小波分析；插值

中图分类号：TJ3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

膛口冲击波是在火炮发射时，弹丸飞出后高温高压的火药燃气在膛口急剧膨胀而形成的，它对周围的设施、装备及人员都可能构成严重危害，为此，各国军方都制定了相应的安全防护标准，而冲击波的超压峰值就是一个重要的基本参数，是评估武器毁伤性能的重要指标之一。冲击波信号具有频域宽、突变快、不稳定的特点，致使经典的傅里叶变换无法从信号的频谱中确定冲击波信号在时域上某些瞬间的突变，即无法反映信号的时间特性[1]。而小波变换在时域和频域都有良好的局部特征，可以聚焦到信号的任意细节，为瞬态信号的后续分析提供了方便[2] ，因此本文选择了基于小波变换的信号处理方法对冲击波超压测试系统采集到的数据进行处理分析，根据处理后的数据得到每个传感器的超压峰值，并根据传感器的布置位置利用插值的方法对冲击波场进行了描述，从而给出冲击波场的变化规律以及冲击波信号的传播规律[3]。

1冲击波测试系统组成

图1测试系统组成框图

本测试系统由两部分组成，硬件系统主要包括传感器部分、信号调理部分以及数据采集部分；软件部分的功能主要由NI公司的LabVIEW软件来实现。传感器通过感受外部冲击波的压力，将压力信号转变为电压信号，经调理电路的滤波放大，存储于数据采集卡中，再经A/D转换转变为数字信号，上位机通过程序编写读取数据采集卡中的数据。图1是测试系统的总体框图[4]。

2数据处理与仿真分析

小波分析

在膛口冲击波超压测试中，由于外界环境的干扰或火炮发射时造成的测试仪器的振动等原因，采集到的冲击波信号不可避免的会叠加各种噪声，图2是某型号火炮发射时的膛口冲击波超压信号波形图，信号中夹杂有许多杂波信号。为了提取出有效的膛口冲击波信号，需要对信号进行预处理，滤除信号中的杂质信号，保留有用信号。本文采用了巴特沃斯滤波器和小波滤波来对冲击波信号进行了预处理，并分别给出了采用两种不同的滤波器去噪的冲击波波形图。

图2原始数据波形图 图3小波去噪后的冲击波波形图

由图3可知，利用小波分析对冲击波信号进行去噪，处理后的信号与原信号的吻合度特别高，几乎没有延时现象，不但有效的滤除了信号中的杂质信号，而且保留了信号的突变信息，为后续准确计算冲击波可持续时间、超压峰值、以及冲击波压力场分析等的精确性提供了保证。通过上述对比表明小波去噪更适用于对膛口冲击波信号这种非稳态信号的去噪[5]。

3誤差分析

本文采用插值的方法对传感器测试的冲击波场进行分析，因此在布设的每个传感器对应的位置上，数据均与传感器的数据相同，不存在误差。为了评估建立模型的好坏，我们假定为数不多的传感器中有一个在测试现场损坏，不能为这个冲击波场建模提供数据，于是采用如下方法来对传感器测试的冲击波场进行建模：即去掉一个传感器的值，用周围传感器插值得到的值来估计去掉传感器的实测值，用估计的值与实测值比较，并计算其误差，最后比较测点的位置对误差的影响。

操作步骤：任意设一个传感器有问题，则程序不再读入该传感器数据，并根据其他的传感器数据对冲击波场进行建模，并将建模后的数据与传感器实测的数据进行比对，并按公式（5）方法进行误差计算：

（1）

式中：为冲击波压力场模型的相对误差，L为插值得到的冲击波在该位置的估计值，R为该位置传感器的实测值。

计算插值得到的值与实测值之间的相对误差的绝对值。绝对值越大说明误差越大，绝对值越小说明误差越小。

采用V4插值方法，比较去掉不同位置传感器的误差，表1列出了其中4次实验的数据，即去掉相应位置传感器数值后实测点与预测点之间的相对误差。

从表1中可以看到当去掉的传感器处于边界位置时，即表中的1号、8号，估算值与实测值计算出来的误差比较大；而当去掉中间位置的传感器，比如3号和10号时，计算出来的误差会相对较小，估计值更接近实测值。数据分析表明该模型对中间位置的测点进行估算相对更准确，在实际测试中，若中间位置某传感发生故障，可以利用本方法对故障点进行估计。

4结论

针对冲击波信号的特点，通过与传统数字滤波方法相比较，采用了基于小波分析的信号分析方法对传感器采集到的非稳态冲击波信号进行了去噪处理；并对冲击波信号的主要特征参数超压峰值进行了计算，最后利用V4样条插值方法，建立了冲击波压力场的模型，直观的表现了膛口冲击波的传播规律；最后通过误差分析，估算了不同位置传感器失效时的模型估算误差。

参考文献

[1]张衍芳，杜红棉，祖静.冲击波信号后期处理方法研究[J].工程与试验，2010，50（4）：15-18.

[2]徐博尧，杨刚，李欣欣.小波变换的时频分析及其在实际中的应用[J].中国传媒大学学报：自然科学版，2011，18（2）：79-83.

[3]李超.杀伤导弹战斗部静爆威力试验方法，第三部分，冲击波超压测试[S].

[4] 赖富文，王文廉，张志杰.大当量战斗部爆炸冲击波测试系统设计及应用[J].弹箭与制导学报，2009，29（3） ：133-135.

[5] 韦力强.基于小波变换的信号去噪研究.[D].长沙：湖南大学.2007