基于FFT旋转弹丸转速数据处理方法
2016-07-16易文俊常思江刘世平
管 军,易文俊,常思江,刘世平
(南京理工大学 1.瞬态物理国家重点实验室;2.能源与动力工程学院,南京 210094)
基于FFT旋转弹丸转速数据处理方法
管军1,易文俊1,常思江2,刘世平2
(南京理工大学 1.瞬态物理国家重点实验室;2.能源与动力工程学院,南京 210094)
摘要:针对高速旋转弹丸的转速测试问题,分析了转速测量装置硬件设计和转速数据的处理方法。根据电磁感应原理。利用傅里叶变换技术将时域电压信号转换为频域信号,对含有噪声的电压信号进行频谱分析,提取幅值最大的频率分量所对应的频率值即可认为是弹丸的实际转速,其它频谱分量认为是噪声分量。在某靶场进行实际弹道实验,利用所提方法对实际实验数据进行处理,得到了全弹道的转速-时间数据。实验及数据处理结果表明:所提方法可行,对实际工程应用具有较大的指导意义。
关键词:旋转弹丸;转速测量;电磁感应;傅里叶变换
高速自旋弹丸的转速是衡量弹丸飞行状态的重要参数之一,对弹丸的旋转理论研究、火炮设计、引信解脱保险及偏流研究等有着十分重要的意义。文献[1]针对常规弹转速高的特点,提出了一种基于捷联式单轴磁传感器的常规弹药转速测量方法。文献[2]利用地磁线圈切割磁感应线产生感应电动势来计算弹丸转速,但该方法测量的感应电动势含有较大的噪声,文中没有给出具体的含噪数据处理方法。文献[3]采用装有竖环天线的无线电引信作为发射机,利用ESVP接收系统和DAS-820高速数据采集系统组成弹丸转速测量系统,但该方法较为复杂。文献[4]利用连续波雷达探测弹丸旋转产生的多普勒效应,建立了弹丸旋转运动引起的雷达回波微多普勒调制数学模型,推导了微多普勒频率与弹丸转速的解析关系,给出了弹丸转速微多普勒数据的实测方案,并通过弹丸旋转微动辨识与数字解调技术,提取了弹丸转速。文献[5]提出了一种先整形后捕捉的磁阻式弹丸转速测量方法,通过对磁阻传感器输出信号的硬件调理和对调理后信号的实时高速捕捉,提高了转速测量的实时性和精确性。文献[6～7]介绍了几种不同的转速测量方法,例如利用地磁、加速度、光电等传感器测量弹丸转速的方法。
综上所述,目前常用的转速测量方法基本都是利用地磁、加速度计、雷达等传感器进行测量,这些传感器不仅价格较高,系统较庞大,而且测量精度有待进一步提高。本文利用了地磁感应线圈,通过弹丸旋转切割地磁场产生周期性的感应电动势,进而可通过判断周期信号的周期来提取弹丸的转速。但通过本方法所测得的周期性信号信噪比特别低,噪声很大,传统的数据数据处理方法基本行不通,本文提出利用傅里叶变换的方法对数据进行处理,所得结果精度高,在实际工程应用中取得了很好的效果。
1弹丸转速测量原理与方法
文中所采用的转速测量原理为电磁感应原理。当装有电磁感应线圈传感器的弹丸在地磁场中旋转时,将会切割地球磁力线而产生随弹丸转动的周期变化的感应电动势。线圈再加上采集电路构成转速传感器,通过黑匣子记录电压数据,从而可以分析得出转速。采用一体化设计技术,将弹载计算机、存储器、传感器、电池封装在榴弹引信外形相同的壳体中,构成弹载转速测量记录装置。弹丸发射前,先清空记录装置内的数据,接通电池,此时为待触发状态。然后将该转速测试记录装置安装在炮弹上,装填入火炮中,发射后触发黑匣子开始记录数据。最后找到炮弹落点,回收黑匣子,读出数据。
2弹丸转速信号分析方法
根据弹丸转速测试原理分析,弹丸的转速信号具有类似正弦函数的时域周期信号特征。根据这一特点,从弹丸转速信号提取弹丸转速数据的主要方法有定周测试法、定时测周法和频谱分析法3种。傅里叶变换是数字信号处理领域的一种重要的算法。傅里叶变换原理表明:任何满足绝对可积的连续测量的时序或信号,都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。对于项目所用的转速测量装置,测量值是含有噪声的电压信号,将该含噪电压信号进行傅里叶变化,则幅值最大的频率分量所对应的频率值可认为是实际转速数据,其它可认为是噪声。在频谱分析方法中,主要基于如下离散傅里叶变换公式:
(1)
图1 转速信号频谱分析方法的数据处理流程图
由转速传感器测试原理(电磁感应原理)可知,在理想条件下任意一段实测的时域转速信号均可近似为频率为fd的正弦(或余弦)周期函数。在实际测量中,通过A/D采样得出的感应电动势数据所构成的曲线也有类似的周期函数曲线的形态。采用数据分段加窗的方法,将离散时间序列感应电动势信号分段处理后,可以形成若干个离散转速数字信号的时间序列。对于第i段感应电动势序列,其数据形式为ei(n),i=1,2,…,I;n=0,1,…,N-1。其中,第n个数据所对应的时间为
(2)
式中:fs为A/D转换器的采样频率。Ns(Ns≤N)为数据分段平移的数据点数,若Ns
(3)
(4)
对于第i段时间序列,由快速傅立叶变换式(3)和式(4)计算,则可将其时域的转速数字信号变换为频域数字信号,其曲线如图2所示。
图2 感应电动势数据的频域曲线
由于转速信号的时间起点(零时刻)是统一在传感器启动(近似为弹丸出炮口)的时刻,通过A/D采样,得出感应电动势信号数据形式为信号幅值与时间的对应数据关系。若将所有分段,则可得出若干段时域转速信号的时间序列。各段转速数据的时间序列均存在一个时间中点,第i段转速数据所对应的时间中点计算公式为
tri=[(i-1)Ns+(N/2)]/fsi=1,2,…,I
(5)
由于感应电动势数据曲线的变化规律具有周期性,只要每段数据不太长,其振荡周期Td几乎不变。因此可以认为,分段后的转速信号曲线对应的频率(主频)几乎不变,该频率即为转速频率fd=1/Td。图2表示第i段时域感应电动势信号经傅里叶变换后的频域曲线,在该频域曲线中,信号在频率点fik的功率为
Pi(k)=|Ei(k)|2k=0,1,…,N-1
(6)
它们等效于时间序列信号ei(n)通过N个中心频率为fik的数字滤波器组后的输出。若目标的转速信号频率fdi落在第j个滤波器的通带内,所对应的Pi(j)就表现为一个峰值,通过频域峰值搜索可得出峰值点的转速频率fdi,由此得出弹丸转速数据为
(7)
其所对应的时间由式(5)计算。该方法的具体实现步骤如下:
①根据时域采样周期计算采样频率,并选取FFT的变换点数为210,即选定每段数据的个数为1 024;
②根据总的数据量,计算总的数据段数;
③对第i段数据取平均,并用该段数据的每个点减去该段数据的平均值,目的是消除直流分量,方便后续数据处理;
④分别对该段数据进行FFT,得出傅里叶变换后的频域曲线;
3实验验证
由图3可看出,黑匣子读出的类正弦数据含有较大的噪声,该段数据表现出上部削峰且底部向右倾斜的特性,若从时域来判断该段数据的平均周期,计算机处理基本不可能完成,除非使用人工判断的方法,而人工判读的工作量非常巨大。利用本文所使用的傅里叶变换方法,可以方便地滤除掉其中的噪声分量,得到主频率分量;又由于旋转弹丸在空中具有较大的转动惯量,所以转速一般不会出现大的瞬时突变,所以使用该方法的优势非常明显。图4为采用傅里叶分析方法所得出的转速数据,数据准确可靠,已经应用于实际工程项目中。
图3 黑匣子输出数据图
图4 转速-时间数据
4结束语
根据电磁感应原理,当通电线圈在空中切割地磁场时会产生感应电动势,当旋转切割时,会产生类似周期性的余弦电压信号。利用傅里叶变换技术对含噪的电压信号进行频谱分析,利用频谱分析的结果，成功得到了弹丸全弹道转速数据，精确可靠的转速数据将为弹道测试、弹箭飞行控制等技术提供必要的基础数据。同时，该方法操作简单,成本较低,在实际工程应用中具有一定的指导意义。
参考文献
[1]尚剑宇,张晓明.常规弹药转速测量方法仿真研究[J].弹箭与制导学报,2012,32(4):99-102.
SHANG Jian-yu,ZHANG Xiao-ming.Simulation on rotating speed measurement method of conventional ammunition[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2012,32(4):99-102.(in Chinese)
[2]岳晗,裴东兴.弹丸转速-炮口速度无线弹载测试系统设计[J].火炮发射与控制学报,2014,35(1):71-74.
YUE Han,PEI Dong-xing.Wireless missile-borne test system design based on projectile rotating speed-muzzle velocity[J].Journal of Gun Lunched and Control,2014,35(1):71-74.(in Chinese)
[3]孙发鱼,张洪.弹丸转速测量系统[J].测试技术学报,1996,10(2):35-37.
SUN Fa-yu,ZHANG Hong.Measurement system of projectile[J].Journal of Test and Measurement Technology,1996,10(2):35-37.(in Chinese)
[4]张万君,吴晓颖.基于连续波雷达微多普勒效应的弹丸转速测试方法[J].装甲兵工程学院学报,2012,26(5):45-50.
ZHANG Wan-jun,WU Xiao-ying.Testing method of projectile rotating speed based on micro-Doppler effect of CW radars[J].Journal of Academy of Armored Force Engineering,2012,26(5):45-50.(in Chinese)
[5]朱晓勤,陈超.先整形后捕捉的磁阻式弹丸转速测量方法[J].探测与控制学报,2013,35(4):49-52.
ZHU Xiao-qin,CHEN Chao.Rotating speed measurement based on magnetoresistance sensor[J].Journal of Detection and Control,2013,35(4):49-52.(in Chinese)
[6]黄涛.弹丸转速的传感器测量方法[J].弹箭与制导学报,2002,22(4):69-70.
HUANG Tao.Method of measuring the projectile rotating speed with sensors[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2002,22(4):69-70.(in Chinese)
[7]张慧,曹咏弘.基于线圈式地磁传感器的高速旋转弹转速测试[J].战术导弹技术,2009,6(4):64-67.
ZHANG Hui,CAO Yong-hong.Rotational speed test of high spinning projectile based on magnetic coil sensor[J].Tactical Missile Technology,2009,6(4):64-67.(in Chinese)
Rotate-speed Data Processing of High Spinning Projectile Based on FFT
GUAN Jun1,YI Wen-jun1,CHANG Si-jiang2,LIU Shi-ping2
(1.National Key Laboratory of Transient Physics;2.School of Energy & Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)
Abstract:To analyze the rotate speed of spinning projectile,the hardware design of a rotate-speed measuring mechanism and its data processing method were studied.According to the principle of electromagnetic induction,the time-domain voltage signal was changed into frequency domain by using the technology of FFT,and then the frequency spectrum of the voltage signal with noise was analyzed.The frequency corresponding to the biggest spectrum component was extracted,which was regarded as the actual rotate-speed of projectile,and other spectrum component was regarded as noise component.The actual ballistic experiment was carried out,and the experimental data was processed by the proposed method,and the data of ratate speed varying with time was obtained.The result shows that the proposed method is effective,and it offers reference for practical application.
Key words:spinning projectile;rotate-speed measuring;electromagnetic induction;FFT
收稿日期:2015-12-21
基金项目:国家自然科学基金项目(11472136;11402117)
作者简介:管军(1987- ),男,博士研究生,研究方向为弹箭飞行控制。E-mail:guanjun8710@163.com。
中图分类号:TJ412.3
文献标识码:A
文章编号:1004-499X(2016)02-0001-04
