冲击波超压测量数据处理方法研究*

王海锋,禄晓飞，涂国勇，纪冲

(1.中国酒泉卫星发射中心，甘肃 兰州 732750；2.陆军工程大学，江苏 南京 210007)

0 引言

为使毁伤测量数据得到充分应用，需要及时完成测量数据的分析处理、参数提取工作。冲击波超压测量过程中布设有数百个测量传感器[1]，数据采样频率1 MHz，单个传感器测量数据有4～8 MB，数据总量较大，但其中仅有很少一部分为有效数据段，且测量数据受到多种干扰信号的影响，有效信号提取困难[2]。在大规模毁伤试验中，对冲击波测量数据采用人工逐个处理，劳动量大、时效差，没有规范的数据处理标准，数据处理精度受人为因素影响较大[3]。

通过对冲击波超压测量数据处理流程分析，规范数据处理的各环节，探讨对大批量数据的快速自动分析方法。基于冲击波传播的区域关联原理[4]，自动批处理完成数据预处理工作；利用自适应滤波方法进行噪声处理[5]；构建以冲击波到达时间范围内存在阶跃波形为准则的数据有效性检验方法；利用均值法实现冲击波超压直接提取。有效提升了数据处理效率及精度。

1 数据处理流程

获取冲击波超压测量数据后，需经过数据预处理、噪声处理、数据有效性验证、冲击波超压提取等环节，完成毁伤试验冲击波超压测量数据的处理[6]。

数据预处理主要工作是实现传感器有效数据段的统一提取，减小数据量，提高数据处理效率；噪声处理完成对传感器测量数据中的高频噪声进行滤波处理，还原真实的冲击波波形；数据有效性验证实现对无效测量数据的剔除，保留有效测量数据；冲击波超压提取完成冲击波到达传感器的时间、冲击波波形的零位及峰值的合理提取，计算当前位置的冲击波超压值。数据处理流程见图1。

图1 冲击波超压测量数据处理流程Fig.1 Data processing flow of shock wave over pressure measurement

2 数据预处理

毁伤试验中测量数据总量较大，对数据的存储、传输以及后续处理造成了很大压力。因此，需要对测量数据进行预处理，实现传感器有效数据段的自动提取，减小数据量，提高数据处理效率。工作流程如下：

(1) 以目标点为中心建立平面坐标系Oxy，其中x轴方向为导弹射向方向，以导弹入射方向为负；y轴与x轴垂直，射向右侧为正，坐标系示意图如图2所示；

图2 目标平面坐标系示意图Fig.2 Target coordinate system

(2) 根据传感器布设方案测得各传感器在目标平面坐标系中的位置(xi,yi)；

(3) 测量爆心在Oxy坐标系中的位置(x0,y0)；

(5) 对原始测量数据进行解码，还原冲击波测量信息；

(6) 均匀选取5～10个距爆心不同位置的传感器测量数据进行人工判读，判读出冲击波到达传感器的时间ti；

(7) 利用人工判读结果进行多项式曲线拟合，根据拟合曲线预估冲击波到达其他传感器的时间tj；

(8) 截取以tj为中心的数据段，作为后续数据处理的原始数据，完成数据预处理工作。

试验中，选取不同距离传感器数据作为特征点，人工判读冲击波到达时间并进行多项式曲线拟合，结果见图3。

根据拟合曲线，预估其他位置处传感器冲击波到达时间tj，并与人工判读结果进行误差分析。

(1)

(2)

图3 特征点二次多项式拟合曲线Fig.3 Polynomial fitting curve using characteristic points

3 数据噪声处理

目标爆炸后，传感器测试系统测得一个电压时程曲线，其典型曲线见图4a)，表征该位置传感器的测量电压随时间变化情况。传感器测量电压与冲击波压力变换关系为

P=aU,

(3)

式中:P为冲击波压力(MPa)；a为传感器动态灵敏度系数(常量)；U为传感器测量电压(V)[7]。

从图4中看出，冲击波波形主要由主爆炸冲击波和后续地面反射波2部分组成，在整个曲线上都存在密集的尖峰状高频脉冲干扰，这是弹丸和破片冲击波持续干扰造成的，伴随爆炸产生的高速破片及较强的电磁场、强闪光、高温等会对测量试验数据参数的传感器、电缆、测量设备等造成不同程度的干扰和破坏，增加了有效数据提取的难度[8]。

图4 滤波前后典型冲击波波形图Fig.4 Typical waveform before and after filter

冲击波信号是一种典型的的非平稳随机信号，能量分布比较均匀，有用信号和噪声的频谱存在严重的交叠，采用自适应滤波器可以较好地对高频噪声信号进行处理[9-10]。综合考虑运算速度和保留数据细节因素，滤波器收敛因子μ=0.000 1、阶长50时滤波后的波形见图4b)。

4 数据有效性验证

毁伤过程中，传感器可能会受到冲击、高温等因素而损坏或受反射波干扰等影响，导致测量数据不可用。为达到测量数据的快速质检目的，需建立统一的数据有效性检验准则，自动给出测量数据的批次检查结果，以剔除明显无效数据。

根据不同的爆炸方式，利用爆炸当量设计值，选择合适的冲击波超压经验公式预估冲击波超压值P0[11]。

(1) 普通土壤地面

(4)

r=Sqrt((X-X0)(X-X0)+
(Y-Y0)(Y-Y0)),

(2) 无限空气介质(球形药)

(5)

(3)刚性地面(球形药)

(6)

以如下准则进行数据有效性验证：

在预估冲击波到达时间ti±0.05s范围内顺序搜索，以某时间点前后1×10-4s时段内数据平均值进行比较，若均值差在[0.5P0,5P0]范围内(P0为冲击波超压预估值)，则初步判定搜索到阶跃上升的有效冲击波峰值，并据此判读波形起跳点t，作为冲击波到达传感器的时间。否则认为该传感器数据无效，予以剔除。

5 冲击波超压提取

冲击波到达传感器前后的局部波形放大图见图5。冲击波超压(峰值和零位之差)的提取有指数拟合和直接提取2种方法[12-13]。

图5 冲击波局部波形放大图Fig.5 Locally amplified waveform

指数拟合法是指截取冲击波波峰过后的适当数据段进行指数拟合，拟合曲线在冲击波到达时刻的值即为冲击波超压峰值。由于不同传感器测量得到的冲击波波形曲线差异性较大，数据段的选择难以制定统一标准，不同长度数据拟合结果差别较大，国内各研究单位在工程实际应用中均未采用该方法。

直接提取法是指直接从波形上判读冲击波零位、峰值及对应的时间[14-15]，国内各研究单位均按照自己积累的工程经验进行判读，没有统一的判读准则，判读结果也存在一定的偏差。主要有如下观点：

(1) 研究机构A认为，由于冲击波测量传感器存在零位漂移，且漂移量随时间逐渐增大，所以采用冲击波到达时波形的起跳点为零位较为合理，冲击波波形在峰值附近存在振荡，难以判断冲击波峰值的真实值，因此以冲击波到达后的第1个振荡中心为冲击波峰值。

(2) 冲击波测量传感器生产公司B认为，以波形起跳点作为零位并不合适，因为在冲击波到达前波形通常有一个明显的下降过程，原因可能是由于传感器受到某种干扰造成的。该公司采用在冲击波到达前一段时间内测量数据的平均值作为传感器零位，冲击波峰值位置虽然存在一定的振荡，但其最大值在一定程度上反应了冲击波超压的最大值，因此取波形上升沿的最高点作为冲击波峰值。

(3) 研究机构C则采用在冲击波到达前一段时间的概略平均值作为冲击波的零位，取波形最高点作为冲击波峰值。

综合国内各研究成果，冲击波到达传感器前后，波形存在振荡，原因可能是由于爆炸引起的地震波或其他干扰造成的，为尽量消除干扰误差，采用波形起跳点前后一定数据段的平均值作为冲击波零位及峰值。

毁伤试验中，冲击波数据采样频率为1 MHz，冲击波到达传感器时刻t到波峰的间隔时间约10-5s，以[t-2×10-5,t]时段内数据均值作为零位，以[t+1×10-5,t+3×10-5]时段内数据均值作为冲击波峰值，峰值与零位之差即为冲击波超压对应的电压值，电压值除以该传感器的动态灵敏度即得到冲击波超压。

经验公式预估冲击波超压值并非实测数据，但其结果不受测量系统及判读方法影响，因此以经验预估值为基准，对不同的判读结果进行误差分析，可以初步反映不同方法判读结果的差异性。

随机抽取10个传感器测量数据进行分析，误差分析结果见表1。从表1中看出，不同方法判读结果的平均误差比较接近，但本文采用的方法样本方差更小，误差分布更为均匀。

表1 不同方法冲击波超压判读结果误差分析Table 1 Error analysis of different interpretation methods for shock wave overpressure

6 结束语

本文主要针对冲击波超压测量数据处理流程进行了系统研究，基于冲击波传播的区域关联性原理，构建了完善的数学模型，规范了各环节的数据处理方法和准则，实现了冲击波超压测量数据的自动化处理，提高了数据处理效率和精度，并在工程实际中得到了大量应用。