数据处理中的误差消除方法研究*

乔　轶

(91550部队　大连　116023)



数据处理中的误差消除方法研究*

乔轶

(91550部队大连116023)

摘要海上飞行试验中,飞行器的命中精度是依靠脱靶量测量系统实现的。而在数据处理中,测量数据中野值的存在严重影响了数据处理精度。产生野值主要是由于随机误差和误触发两方面原因引起。目前可以通过以下两种方法进行剔除:一方面利用野值和多普勒频率在小波域上系数不同的特点,通过小波变换剔除脱靶量数据中的野值,另一方面采用系统修改门限的方法去除因误触发产生的数据中的野值。通过实验结果证明两种方法都能有效去除野值,提高了数据的处理精度。

关键词脱靶量测量; 多普勒频率; 试验

Class NumberE992.1; P207+.1

1引言

在实际测量中,即使目标运动状态理想,设备工作状态正常,原始的测量数据质量非常高,仍存在部分随机误差,这些都导致测量的回波数据中必然存在野值,如果不剔除野值,将严重影响后续的数据处理,不能保障设备在试验中的高精度快速数据处理[1]。为此,本文在系统阐述目前靶场常用的脱靶量测量技术方法的同时,分析了其在测量中形成野值的原因,并对产生原因给出了相应的剔除方法,极大地提高了数据处理的精度。

2某系统工作流程简介及其测量技术方法实现

以下就脱靶量测量系统为例进行具体说明。该系统分为靶区设备和地面站[2]。系统工作时,靶区测量雷达分系统发射电磁波并接收飞行器回波信号[3],实时采集、检测目标并存储试验节点的飞行器回波数据。

2.1脱靶量测量系统工作流程简介

系统获取试验节点交会过程中的多路回波数据后,通过光纤传输模块传送到地面站进行实时处理并存储,硬件框图如图1所示。系统又分为中频采样数据接收与数据发送模块(上位机)和实时信号处理和数据存储模块(下位机)两部分。试验结束后,试验人员将下位机采集存储的数据转存到数据处理分系统。

图1　脱靶量测量系统组成图

2.2脱靶量测量技术方法

脱靶量测量在新武器装备试验鉴定和部队训练中具有重要的地位和作用,研究不同体制的脱靶量测量系统是适应现代作战需求所提出的应对措施。当前脱靶量测量主要有以下几种测量技术:光学脱靶量测量技术、声学脱靶量测量技术、遥外测脱靶量测量技术、雷达脱靶量测量技术。光学测量受外界条件限制较大,但精度相对较高;遥外测仅适用于弹、靶上装有GPS设备的情况,有较好的性能价格比;而雷达测量虽然不像声学和光学测量受速度、气象条件的限制,但测量精度受其测角及站址间坐标换算精度的影响,距离较远时,给出的测量命中精度误差较大,通用雷达不适用于装备试验鉴定,但可为试验训练提供命中的判据[4],另外,不考虑精度要求,在试验、训练中采用摄录像手段,是解决目标击中率测量的有效途径。

目前,专用矢量脱靶量设备主要是雷达体制。雷达脱靶量测量技术利用雷达多普勒测量原理[5],已知回波信号的多普勒频移fd正比于径向速度vr而反比于雷达工作波长λ,即

(1)

图2　飞行器与目标几何关系图

运动目标的多普勒频率fd相对雷达的位置将按一定的规律变化。采用差拍的方法,从接收信号中提取雷达发射频率f0和目标回波信号频率fr,即可求得差值fd。飞行器与目标几何关系如图2所示。目标在O点,飞行器在A点以速度V运动。在O点作V的平行线,即得X轴。在O点作V的垂直线,与V延长线交于B点,OB延长线为Y轴。OB即为所需测量的脱靶量值。在O点目标上安放一部测量多普勒频率的雷达,假设天线是无方向性的,则对A点飞行器多普勒频移fd为

(2)

式中,α为OA与V的夹角。设A点在X轴上的坐标为x,在Y轴上的坐标为y则

(3)

(4)

图3　不同y时的相对关系曲线

3数据野值形成原因及消除方法

在实际试验过程中,受飞行器速度、气象条件以及空中飘散的杂质影响以及测角及站址间坐标换算精度的影响,测量命中精度误差是不可避免的[6～7]。因此及时发现修正脱靶量数据中的野值,提高试验准确率是必要的。

3.1数据野值形成原因

高精度脱靶量测量雷达工作于固定平台或相对静止的运动平台,天线采用定向多路天线,目标只有进入探测区域后才进行有效数据的存储。其野值的形成主要有以下几种原因。

1) 测量的大部分飞行器目标都具有复杂的几何形状。当目标的运动方式发生变化,它的等效发射面积发生变化。目标的起伏频率展宽,产生振幅起伏,尤其当运动目标与固定点接近时,回波信噪比强,且在不断变化,目标也由远处的点目标变成复杂的形状,最强的等效反射中心也在不断发生变化并可能形成近场目标多反射中心,导致多普勒频率在击中目标前产生野值。

2) 在雷达跟踪目标时,雷达发射波除了直接照射到目标外,还能通过反射的途径到达目标。在一般情况下,两电磁波到达目标的相位和振幅不同,在目标上产生的总电场强度是两者的矢量叠加。在实际应用中,四条路径的多重反射信号构成了雷达接收回波,引起多普勒异常变化。

3) 接收机的内部噪声、海浪噪声、天线热噪声、有意无意的人为施放的干扰和邻近雷达的发射电波的干扰外部噪声及I、Q通道失调等引起的测量数据野值。

4) 多路天线接收数据的频域非相参积累,回波数据的非线性滤波器滤除遥测误码产生的野值以及数据加窗、ESPRIT法进行的多普勒频上超分辨算法等造成多普勒数据中存在野值。

5) 目前,为贴近实战能力,试验中使用箔条弹干扰模式。然而箔条弹在空中爆炸的瞬间,脱靶量设备可能因箔条弹碎片误触发而无法获取存储脱靶量数据,或是当箔条弹漂浮在脱靶量设备和飞行器之间时,脱靶量设备可能因箔条弹遮挡无法获取并存储脱靶量数据,产生野值[8]。

3.2剔除野数据方法

对于前四种原因产生的野值,在数据处理中,采用阈值处理的小波域去噪的基本思想[9]。对于含有野值的多普勒频率估计结果,根据野值在不同尺度的小波谱分量确定,首先利用小波谱的重构或还原的方法,然后再利用小波变换重构算法[10]。

(5)

由式(5)可知,利用软阈值法去噪声和野值的关键是确定阈值λ,实际采集数据的噪声与野值是随机的,不可能知道,需进行估计。为此,经分析比较,本文采取的方法如下。

1) 选择一个小波基,并确定尺度,然后进行小波分解。

2) 将选取的小波基分成M个大小相同的数据段,并对每一尺度选取适当的阈值。首先根据heursure准则或Minimax准则估计各尺度的阈值采用动态规划的方法自动检测系数的剧烈变化,对各尺度系数进行分段,然后再根据分段后的结果,对不同的区域设定不同的阈值去除野值。

3) 将每段数据对应各尺度上经小波变换后的数据减去对应的阈值。通过小波逆变换,利用原信号尺度的近似和修改过的各尺度的细节重建原信号,即可得到去除野值后的信号。

对于因箔条弹误触发引起的错误数据,可以采用系统修改检测门限的方法。具体操作流程:

1) 测量设备在试验完进行结构拆解;

2) 将信号检测与处理板中的DSP软件中的门限相关部分进行改写,目的是避开箔条弹爆炸瞬间的速度;

3) 对测量设备结构上重新组合;

4) 进行飞行器试验,对全系统进行功能检测。

逐年统计不良反应累及的器官系统，不良反应主要累及胃肠损害、皮肤及其附件损害和神经系统损害。总例次排名前10位的器官系统及不良反应的例次见表2。

4结语

通过试验证明在不同情况下采用多分辨分解、小波软阈值去野值方法以及在因箔条弹干扰情况下选用系统修改门限的方法,对去除野值有良好的效果。前者合理选择不同数据段的阈值,利用小波软阈值去噪方法,可以有效地实现去除多普勒频率估计野值,后者将信号检测与处理板中的DSP软件中的门限相关部分进行改写,可以有效避开箔条弹爆炸瞬间的速度引起的误触发,二者是十分有效可靠的去除野值的方法。

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Error Elimination Method in Data Processing

QIAO Yi

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian116023)

AbstractIn the test on the sea, the aircraft’s hitting accuracy is achieved by the system of the miss distance measure. In data processing, the presence of outliers seriously affects the accuracy of the data processing. The main reasons of producing the two mistakes are random error and false triggering. In this paper, two aspects are used to remove by the following method. On the one hand, based on the outliers and doppler frequency which are different in coefficient of wavelet domain, the wavelet transform to suppress outliers in the miss distance data. On the other hand, the method of the modifying the threshold is used to remove the outliers which caused by the false triggering. The results show that the two methods are effectivly in improving the accuracy of data processing.

Key Wordsmiss distance measure, Doppler frequency, test

* 收稿日期:2015年11月12日,修回日期:2015年12月28日

作者简介:乔轶,女,硕士,工程师,研究方向:软件设计。

中图分类号E992.1; P207+.1

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.018