靳 鴻，靳書云，陳昌鑫，王 燕

（1．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

侵徹層數(shù)全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)方法研究

靳 鴻1，2，靳書云1，2，陳昌鑫1，2，王 燕1，2

（1．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

針對(duì)多層侵徹如何計(jì)算介質(zhì)層數(shù)的問題，提出了一種全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法。該算法主要以時(shí)間信息作為層數(shù)識(shí)別的依據(jù)，利用波峰頂點(diǎn)與其之前、之后的數(shù)據(jù)點(diǎn)差值的極性來初步識(shí)別波峰個(gè)數(shù)，再基于脈寬和峰峰間隔時(shí)間信息對(duì)波峰計(jì)數(shù)值進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，以提高侵徹層數(shù)的計(jì)數(shù)正確性。經(jīng)過仿真及靶場(chǎng)試驗(yàn)，該算法對(duì)數(shù)據(jù)處理可行、正確。該算法與現(xiàn)有的絕對(duì)閾值比較方法相比，并不完全依賴峰值，充分利用了信號(hào)所含有的時(shí)間和幅值信息，為侵徹層數(shù)計(jì)數(shù)算法提供了一種新的設(shè)計(jì)思想。

侵徹；多層介質(zhì)；相對(duì)；波峰檢測(cè)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，研究如何對(duì)地下目標(biāo)、掩體或者深層建筑物進(jìn)行精確打擊具有重要意義?，F(xiàn)在構(gòu)成目標(biāo)的介質(zhì)由單層變?yōu)槎鄬樱繕?biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化［1］。通過對(duì)穿過的層結(jié)構(gòu)計(jì)數(shù)，計(jì)算起爆前貫穿的行程，最后在準(zhǔn)確的層數(shù)起爆，是目前靈巧引信的一種起爆方式。如美國(guó)摩托羅拉公司研制的硬目標(biāo)靈巧引信，該引信采用加速度計(jì)識(shí)別不同的目標(biāo)介質(zhì)，如土壤、混凝土、巖石和空穴等，其作用模式包括精確延時(shí)、計(jì)層數(shù)和計(jì)行程等［2］。

對(duì)目標(biāo)介質(zhì)的層數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，是為引信提供可靠、有效起爆信號(hào)的保證。計(jì)層數(shù)的方法包括基于幅值的比較和基于介質(zhì)的識(shí)別［3］。其中，關(guān)于介質(zhì)的識(shí)別多關(guān)注于侵徹過程的特性研究和仿真［4］；幅值的比較由直接測(cè)取的加速度信號(hào)和預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，但是侵徹信號(hào)的幅值與彈丸的幾何尺寸、著靶速度、彈著角、攻角、彈丸材料特性、靶板結(jié)構(gòu)形式和材料性質(zhì)等因素有關(guān)［5－6］，閾值的確定存在不確定性。

本文采用相對(duì)比較算法，以時(shí)間信息作為判斷的依據(jù)，而不是傳統(tǒng)的峰值閾值判斷方法。首先，將當(dāng)前采樣點(diǎn)與其之前的歷史信息和之后的未來信息進(jìn)行相對(duì)比較，利用波峰頂點(diǎn)與兩邊數(shù)據(jù)點(diǎn)差值的極性來初步識(shí)別波峰個(gè)數(shù)；其次，利用波峰的脈寬時(shí)間信息對(duì)峰值個(gè)數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)，將不符合脈寬信息的干擾脈沖排除；最后，再利用峰峰間隔時(shí)間信息對(duì)波峰誤計(jì)數(shù)進(jìn)行排除，提高層數(shù)計(jì)數(shù)的正確性。

1 侵徹層數(shù)計(jì)數(shù)算法

多層侵徹加速度信號(hào)具有明顯的多峰特性，峰值個(gè)數(shù)與侵徹層數(shù)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如何準(zhǔn)確檢測(cè)出波峰的數(shù)量對(duì)于層數(shù)計(jì)數(shù)非常關(guān)鍵［7］。

1.1 波峰檢測(cè)算法

采用LS-DYNA對(duì)多層侵徹的加速度仿真，所得波形如圖1所示，圖中被侵徹介質(zhì)為鋼板，層數(shù)為5層。由圖1可看出，侵徹的層數(shù)與波峰個(gè)數(shù)密切相關(guān)，通過波峰的檢測(cè)是可以準(zhǔn)確計(jì)算侵徹的層數(shù)。

圖1 彈體侵徹5層鋼板加速度－時(shí)間曲線Fig．1 The acceleration curve of projectile penetration 5 layer steel target board

1.2 峰值檢測(cè)算法

由于閾值的不確定性，采用幅值比較的方法在應(yīng)用時(shí)非常受限。即，閾值的選取根據(jù)具體的參數(shù)、條件、介質(zhì)類型、初速等條件密切相關(guān)，這是一種絕對(duì)的比較方式。

對(duì)于多峰值的檢測(cè)，還可以采用求極值的方法，但是由于侵徹實(shí)際曲線存在多種因素的干擾，波形并不光滑，所以出錯(cuò)率較高。如圖1所示，圖中第一個(gè)波峰按照求極值的方法存在四個(gè)極值點(diǎn)，大于實(shí)際有效波峰的個(gè)數(shù)，導(dǎo)致計(jì)層數(shù)有誤。

2 全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

對(duì)于侵徹加速度信號(hào)所包含的信息，包括縱軸方向的幅值信息和橫軸方向的時(shí)間信息，縱軸可以分析數(shù)值的大小，橫軸可以分析不同時(shí)刻加速度曲線的特征。

2.1 信號(hào)的時(shí)間信息與波峰檢測(cè)算法思想

全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法通過數(shù)據(jù)點(diǎn)逐點(diǎn)比較，利用過去、現(xiàn)在、將來的時(shí)間信息確定峰值個(gè)數(shù)。在波峰的峰值點(diǎn)處，歷史與未來時(shí)刻的數(shù)據(jù)值都大于（正向）或小于（負(fù)向）其值，依據(jù)此特性識(shí)別峰值個(gè)數(shù)。

在對(duì)實(shí)測(cè)加速度曲線進(jìn)行處理時(shí)，利用波峰頂點(diǎn)與兩邊數(shù)據(jù)點(diǎn)差值的極性來識(shí)別波峰的個(gè)數(shù)，在某些情況下，會(huì)受到一些干擾的影響，所以全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法還包括其它的時(shí)間信息作為層數(shù)判斷的依據(jù)。侵徹加速度信號(hào)所包含的時(shí)間信息主要包括脈沖的寬度和峰峰間隔等。

脈寬信息與侵徹條件相關(guān)，對(duì)不同介質(zhì)、不同厚度、不同初速度的侵徹條件進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，加速度信號(hào)波形如圖2所示。從圖中可以看出，侵徹條件不同，脈沖的脈寬有所區(qū)別，因此，可以根據(jù)脈寬信息進(jìn)一步建立判斷侵徹波峰個(gè)數(shù)的約束條件。

圖2 不同的侵徹條件，脈寬信息不同F(xiàn)ig．2 Penetration of different conditions，different pulse width information

在已知侵徹介質(zhì)情況時(shí)，可以通過彈體初速度和介質(zhì)之間的距離估算出峰峰值之間的間隔時(shí)間，以此為依據(jù)，進(jìn)一步提高層數(shù)判斷的正確性。

2.2 算法設(shè)計(jì)

圖3 算法流程圖Fig．3 The flow chart of algorithm

如前所述，侵徹加速度信號(hào)所包含的信息，不僅是時(shí)間信息還有幅值信息，充分利用所有信息既不會(huì)浪費(fèi)資源又能提高判斷的正確性。與之前層數(shù)計(jì)數(shù)方法利用絕對(duì)幅值判斷層數(shù)不同，幅值信息在全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法中用來解決測(cè)試數(shù)據(jù)可能存在的基線抖動(dòng)、小幅振蕩等問題。因此，全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法還增加了基線去抖、相對(duì)閾值法［9］去除小幅振蕩等數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。

算法流程如圖3所示。

3 全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)

全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法從過去、現(xiàn)在、將來全時(shí)態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，結(jié)合實(shí)測(cè)信號(hào)特點(diǎn)，從縱軸考慮，用相對(duì)閾值的方法將一些抖動(dòng)、小幅振蕩去掉，避免基線波動(dòng)對(duì)計(jì)層數(shù)的影響；從橫軸考慮，結(jié)合試驗(yàn)條件利用脈寬范圍、峰峰間隔進(jìn)一步對(duì)識(shí)別的波峰進(jìn)行判斷，確保識(shí)別的正確性。

3.1 信號(hào)預(yù)處理

在實(shí)測(cè)曲線處理時(shí)，信號(hào)波形由于干擾及應(yīng)力波的影響，出現(xiàn)大量振蕩信號(hào)。峰值的絕對(duì)閾值計(jì)層方法，因?yàn)閷⒎逯底鳛榕袛鄺l件，所以對(duì)信號(hào)濾波時(shí)截止頻率的選擇非常關(guān)鍵［8］，以免濾波造成波形幅值失真。在這樣的前提下，濾波截止頻率的選取不能過低，防止幅度衰減，但是，這樣選取的截止頻率同時(shí)會(huì)導(dǎo)致無法完全去除干擾的影響。

全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法由于不依據(jù)具體峰值，在波形預(yù)處理時(shí)，截止頻率的選擇具有相對(duì)寬的范圍，可以保證波形的光滑，為后續(xù)的處理提供條件。

3.2 波峰檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法

利用以上算法思想進(jìn)行多條實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理調(diào)試，不斷進(jìn)行改進(jìn)，才最終形成了全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法。信號(hào)預(yù)處理后，算法的實(shí)現(xiàn)，主要包括基線去抖、小幅振蕩信號(hào)的消除、數(shù)據(jù)逐點(diǎn)比較與方向判斷、脈寬和峰值間隔時(shí)間的判斷等。

3．2．1 基線去抖與小幅振蕩信號(hào)的消除

侵徹加速度信號(hào)的基線往往存在一些抖動(dòng)，其脈沖曲線上有時(shí)還會(huì)存在一些小幅的振蕩，這些干擾會(huì)影響層數(shù)計(jì)數(shù)的結(jié)果，如圖4所示的彈體侵徹單層混凝土靶板加速度曲線?；€去抖是指將基線上存在的小的抖動(dòng)通過閾值比較的方法將其去掉，使基線達(dá)到理想的平滑狀態(tài)［10］。小幅振蕩信號(hào)的消除采用相對(duì)閾值的方法將大于抖動(dòng)的一些小幅振蕩去掉。

由于基線抖動(dòng)的數(shù)值往往很小，可以設(shè)定某一小幅閾值a（a＞0），在y軸方向絕對(duì)值小于a的數(shù)據(jù)都等效為0，這樣就避免了將基線波動(dòng)的無效峰值檢測(cè)為有效波峰的誤判斷。設(shè)信號(hào)最大峰值為b，將小幅振蕩消除的閾值設(shè)定為b的1／5，小于此值的振蕩不計(jì)入層數(shù)的計(jì)數(shù)值內(nèi)。關(guān)于此閾值的確定可以根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。

圖4 彈體侵單層徹混凝土靶板加速度曲線Fig．4 The acceleration curve of projectile penetration 1 layer concrete target board

3．2．2 數(shù)據(jù)逐點(diǎn)比較與方向判斷

假設(shè)曲線總點(diǎn)數(shù)為q，從曲線中第一個(gè)點(diǎn)開始連續(xù)選取n個(gè)點(diǎn)，記為i1、i2、i3、i4，…，in，將各點(diǎn)與點(diǎn)i（n＋1）／2比較，如果其余各點(diǎn)均大于（負(fù)向）或小于（正向）點(diǎn)i（n＋1）／2，則判斷為一個(gè)有效波峰，不滿足則不是有效波峰。然后再?gòu)牡诙€(gè)點(diǎn)開始判斷，直到點(diǎn)為q－n為止。這時(shí)，波峰個(gè)數(shù)即為m。

式中：h為最薄靶板厚度，v為彈體初速度，f為數(shù)據(jù)記錄儀的采樣頻率。

3．2．3 脈寬信息

在實(shí)際測(cè)試時(shí)，由于彈頭變形或者彈體振蕩會(huì)出現(xiàn)脈沖信號(hào)多峰的情況，如圖5所示。

圖5 彈體侵徹3層鋼板加速度曲線Fig．5 The acceleration curve of projectile penetration 3 layer steel target board

根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置脈寬信息的最小值tmin，如檢測(cè)到某個(gè)脈寬t5大于tmin時(shí)，記做此脈寬為有效脈寬；當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)脈寬t1、t2、t3、t4小于tmin時(shí)，則需判斷在某個(gè)范圍內(nèi)是否有相鄰的脈寬，如脈沖t4前后都沒有脈沖，則認(rèn)為其為無效脈寬，將其舍去，但t1、t2、t3其前后有相鄰脈沖，則將t1、t2、t3脈沖寬度相加，求出脈寬t，并將其與tmin比較，其值大于tmin則將其記為有效峰值，反之，認(rèn)為為無效峰值，將其舍去。經(jīng)過脈寬信息判斷，波峰個(gè)數(shù)變?yōu)閙1。

3．2．4 峰值間隔時(shí)間

對(duì)于兩層侵徹的波峰之間可能存在一些干擾（如圖5所示），這些干擾若累計(jì)脈寬tr與之前所設(shè)定tmin相比也滿足：tr＞tmin，則可以利用侵徹間隔時(shí)間進(jìn)行排除，峰值個(gè)數(shù)記為m2。

峰值間隔時(shí)間與彈體初速度v和侵徹介質(zhì)厚度h、侵徹介質(zhì)之間間隔距離s有關(guān)，由于實(shí)際侵徹中存在速度的衰減，所以最低時(shí)間以速度沒有衰減的理想情況計(jì)算：

4 算法仿真及試驗(yàn)

將實(shí)現(xiàn)的全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其可行性，包括對(duì)侵徹仿真曲線和實(shí)測(cè)的侵徹曲線的處理。

4.1 算法仿真

圖6 對(duì)仿真侵徹加速度數(shù)據(jù)的處理結(jié)果Fig．6 The result of processing acceleration data

圖7 對(duì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)侵徹加速度數(shù)據(jù)的處理結(jié)果Fig．7 The result of processing measured data

用LS-DYNA對(duì)彈體侵徹3層混凝土靶板進(jìn)行仿真，仿真建模方法同參考文獻(xiàn)［11］仿真加速度曲線如圖6 （a）所示。用全時(shí)態(tài)波峰檢測(cè)算法對(duì)其進(jìn)行處理，各處理環(huán)節(jié)結(jié)果分別見圖6（b）、（c）、（d）、（e）、（f），通過以上環(huán)節(jié)的處理，所得侵徹層數(shù)與仿真設(shè)置層數(shù)一致。

4.2 實(shí)測(cè)試驗(yàn)

為進(jìn)一步對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了靶場(chǎng)相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)988型壓電加速度傳感器，通過電荷放大器進(jìn)行電荷—電壓量轉(zhuǎn)換，電壓信號(hào)經(jīng)過AD7492模數(shù)轉(zhuǎn)換器成為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存儲(chǔ)在512 kB的SRAM中，試驗(yàn)后通過數(shù)據(jù)線將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀至上位機(jī)進(jìn)行分析處理。

圖7（a）是靶場(chǎng)某彈體侵徹5層混凝土板得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，基于matlab按照全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法的流程，處理結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)圖7所示各過程，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波和基線去抖，將存在的高頻振蕩和小的基線抖動(dòng)去掉，圖7（b）與圖7（a）相比，波峰更加明顯；通過小幅振蕩消除得到圖7（c）所示的曲線，這時(shí)檢測(cè)到峰值個(gè)數(shù)為10，將不符合脈寬信息的小脈沖去掉，得到如圖7（d）所示的曲線，這時(shí)檢測(cè)波峰個(gè)數(shù)為6，最后通過峰峰間隔信息進(jìn)一步對(duì)曲線進(jìn)行處理，得到如圖7（e）所示的波形曲線，其中波峰為5個(gè)，即為5層介質(zhì)，到達(dá)預(yù)想的預(yù)測(cè)效果，證明了算法的正確性。

5 結(jié) 論

侵徹加速度信號(hào)包含時(shí)間及幅值等多方面的信息，充分利用這些信息可以提高侵徹層數(shù)計(jì)數(shù)的正確性。全時(shí)態(tài)相對(duì)波峰檢測(cè)算法通過波峰兩側(cè)數(shù)據(jù)的極性，脈寬和峰峰間隔時(shí)間等時(shí)間信息為主進(jìn)行層數(shù)的識(shí)別，并結(jié)合峰值信息對(duì)多層對(duì)加速度信號(hào)波形進(jìn)行處理，以助于各項(xiàng)時(shí)間信息的提取。此算法已經(jīng)過仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、分析，具有一定的可行性。對(duì)于多層侵徹層數(shù)的計(jì)數(shù)方法研究是一種新的探索。

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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

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（403120C12056）資助

2013－11－08 修改稿收到日期：2014－04－30

靳鴻女，博士，副教授，1974年生