侵徹層數全時態相對波峰檢測方法研究

靳 鴻，靳書云，陳昌鑫，王 燕

（1．中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2．中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

侵徹層數全時態相對波峰檢測方法研究

靳 鴻1，2，靳書云1，2，陳昌鑫1，2，王 燕1，2

（1．中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2．中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

針對多層侵徹如何計算介質層數的問題，提出了一種全時態相對波峰檢測算法。該算法主要以時間信息作為層數識別的依據，利用波峰頂點與其之前、之后的數據點差值的極性來初步識別波峰個數，再基于脈寬和峰峰間隔時間信息對波峰計數值進行進一步確認，以提高侵徹層數的計數正確性。經過仿真及靶場試驗，該算法對數據處理可行、正確。該算法與現有的絕對閾值比較方法相比，并不完全依賴峰值，充分利用了信號所含有的時間和幅值信息，為侵徹層數計數算法提供了一種新的設計思想。

侵徹；多層介質；相對；波峰檢測

現代戰爭中，研究如何對地下目標、掩體或者深層建筑物進行精確打擊具有重要意義?，F在構成目標的介質由單層變為多層，目標內部結構日益復雜化［1］。通過對穿過的層結構計數，計算起爆前貫穿的行程，最后在準確的層數起爆，是目前靈巧引信的一種起爆方式。如美國摩托羅拉公司研制的硬目標靈巧引信，該引信采用加速度計識別不同的目標介質，如土壤、混凝土、巖石和空穴等，其作用模式包括精確延時、計層數和計行程等［2］。

對目標介質的層數進行準確計數，是為引信提供可靠、有效起爆信號的保證。計層數的方法包括基于幅值的比較和基于介質的識別［3］。其中，關于介質的識別多關注于侵徹過程的特性研究和仿真［4］；幅值的比較由直接測取的加速度信號和預先設置的閾值進行比較，但是侵徹信號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、靶板結構形式和材料性質等因素有關［5－6］，閾值的確定存在不確定性。

本文采用相對比較算法，以時間信息作為判斷的依據，而不是傳統的峰值閾值判斷方法。首先，將當前采樣點與其之前的歷史信息和之后的未來信息進行相對比較，利用波峰頂點與兩邊數據點差值的極性來初步識別波峰個數；其次，利用波峰的脈寬時間信息對峰值個數進行進一步的確認，將不符合脈寬信息的干擾脈沖排除；最后，再利用峰峰間隔時間信息對波峰誤計數進行排除，提高層數計數的正確性。

1 侵徹層數計數算法

多層侵徹加速度信號具有明顯的多峰特性，峰值個數與侵徹層數具有一定的對應關系，如何準確檢測出波峰的數量對于層數計數非常關鍵［7］。

1.1 波峰檢測算法

采用LS-DYNA對多層侵徹的加速度仿真，所得波形如圖1所示，圖中被侵徹介質為鋼板，層數為5層。由圖1可看出，侵徹的層數與波峰個數密切相關，通過波峰的檢測是可以準確計算侵徹的層數。

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

1.2 峰值檢測算法

由于閾值的不確定性，采用幅值比較的方法在應用時非常受限。即，閾值的選取根據具體的參數、條件、介質類型、初速等條件密切相關，這是一種絕對的比較方式。

對于多峰值的檢測，還可以采用求極值的方法，但是由于侵徹實際曲線存在多種因素的干擾，波形并不光滑，所以出錯率較高。如圖1所示，圖中第一個波峰按照求極值的方法存在四個極值點，大于實際有效波峰的個數，導致計層數有誤。

2 全時態相對波峰檢測算法設計

對于侵徹加速度信號所包含的信息，包括縱軸方向的幅值信息和橫軸方向的時間信息，縱軸可以分析數值的大小，橫軸可以分析不同時刻加速度曲線的特征。

2.1 信號的時間信息與波峰檢測算法思想

全時態相對波峰檢測算法通過數據點逐點比較，利用過去、現在、將來的時間信息確定峰值個數。在波峰的峰值點處，歷史與未來時刻的數據值都大于（正向）或小于（負向）其值，依據此特性識別峰值個數。

在對實測加速度曲線進行處理時，利用波峰頂點與兩邊數據點差值的極性來識別波峰的個數，在某些情況下，會受到一些干擾的影響，所以全時態相對波峰檢測算法還包括其它的時間信息作為層數判斷的依據。侵徹加速度信號所包含的時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，對不同介質、不同厚度、不同初速度的侵徹條件進行數值模擬實驗，加速度信號波形如圖2所示。從圖中可以看出，侵徹條件不同，脈沖的脈寬有所區別，因此，可以根據脈寬信息進一步建立判斷侵徹波峰個數的約束條件。

圖2 不同的侵徹條件，脈寬信息不同Fig．2 Penetration of different conditions，different pulse width information

在已知侵徹介質情況時，可以通過彈體初速度和介質之間的距離估算出峰峰值之間的間隔時間，以此為依據，進一步提高層數判斷的正確性。

2.2 算法設計

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

如前所述，侵徹加速度信號所包含的信息，不僅是時間信息還有幅值信息，充分利用所有信息既不會浪費資源又能提高判斷的正確性。與之前層數計數方法利用絕對幅值判斷層數不同，幅值信息在全時態相對波峰檢測算法中用來解決測試數據可能存在的基線抖動、小幅振蕩等問題。因此，全時態相對波峰檢測算法還增加了基線去抖、相對閾值法［9］去除小幅振蕩等數據處理環節。

算法流程如圖3所示。

3 全時態相對波峰檢測算法的實現

全時態相對波峰檢測算法從過去、現在、將來全時態進行數據比較，結合實測信號特點，從縱軸考慮，用相對閾值的方法將一些抖動、小幅振蕩去掉，避免基線波動對計層數的影響；從橫軸考慮，結合試驗條件利用脈寬范圍、峰峰間隔進一步對識別的波峰進行判斷，確保識別的正確性。

3.1 信號預處理

在實測曲線處理時，信號波形由于干擾及應力波的影響，出現大量振蕩信號。峰值的絕對閾值計層方法，因為將峰值作為判斷條件，所以對信號濾波時截止頻率的選擇非常關鍵［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會導致無法完全去除干擾的影響。

全時態相對波峰檢測算法由于不依據具體峰值，在波形預處理時，截止頻率的選擇具有相對寬的范圍，可以保證波形的光滑，為后續的處理提供條件。

3.2 波峰檢測的實現方法

利用以上算法思想進行多條實測數據處理調試，不斷進行改進，才最終形成了全時態相對波峰檢測算法。信號預處理后，算法的實現，主要包括基線去抖、小幅振蕩信號的消除、數據逐點比較與方向判斷、脈寬和峰值間隔時間的判斷等。

3．2．1 基線去抖與小幅振蕩信號的消除

侵徹加速度信號的基線往往存在一些抖動，其脈沖曲線上有時還會存在一些小幅的振蕩，這些干擾會影響層數計數的結果，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通過閾值比較的方法將其去掉，使基線達到理想的平滑狀態［10］。小幅振蕩信號的消除采用相對閾值的方法將大于抖動的一些小幅振蕩去掉。

由于基線抖動的數值往往很小，可以設定某一小幅閾值a（a＞0），在y軸方向絕對值小于a的數據都等效為0，這樣就避免了將基線波動的無效峰值檢測為有效波峰的誤判斷。設信號最大峰值為b，將小幅振蕩消除的閾值設定為b的1／5，小于此值的振蕩不計入層數的計數值內。關于此閾值的確定可以根據具體的實驗情況進行調整。

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 數據逐點比較與方向判斷

假設曲線總點數為q，從曲線中第一個點開始連續選取n個點，記為i1、i2、i3、i4，…，in，將各點與點i（n＋1）／2比較，如果其余各點均大于（負向）或小于（正向）點i（n＋1）／2，則判斷為一個有效波峰，不滿足則不是有效波峰。然后再從第二個點開始判斷，直到點為q－n為止。這時，波峰個數即為m。

式中：h為最薄靶板厚度，v為彈體初速度，f為數據記錄儀的采樣頻率。

3．2．3 脈寬信息

在實際測試時，由于彈頭變形或者彈體振蕩會出現脈沖信號多峰的情況，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

根據實際情況設置脈寬信息的最小值tmin，如檢測到某個脈寬t5大于tmin時，記做此脈寬為有效脈寬；當檢測到某個脈寬t1、t2、t3、t4小于tmin時，則需判斷在某個范圍內是否有相鄰的脈寬，如脈沖t4前后都沒有脈沖，則認為其為無效脈寬，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，認為為無效峰值，將其舍去。經過脈寬信息判斷，波峰個數變為m1。

3．2．4 峰值間隔時間

對于兩層侵徹的波峰之間可能存在一些干擾（如圖5所示），這些干擾若累計脈寬tr與之前所設定tmin相比也滿足：tr＞tmin，則可以利用侵徹間隔時間進行排除，峰值個數記為m2。

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

4 算法仿真及試驗

將實現的全時態相對波峰檢測算法進行實驗，以驗證其可行性，包括對侵徹仿真曲線和實測的侵徹曲線的處理。

4.1 算法仿真

圖6 對仿真侵徹加速度數據的處理結果Fig．6 The result of processing acceleration data

圖7 對試驗實測侵徹加速度數據的處理結果Fig．7 The result of processing measured data

用LS-DYNA對彈體侵徹3層混凝土靶板進行仿真，仿真建模方法同參考文獻［11］仿真加速度曲線如圖6 （a）所示。用全時態波峰檢測算法對其進行處理，各處理環節結果分別見圖6（b）、（c）、（d）、（e）、（f），通過以上環節的處理，所得侵徹層數與仿真設置層數一致。

4.2 實測試驗

為進一步對算法進行驗證，進行了靶場相關試驗。試驗采用國產988型壓電加速度傳感器，通過電荷放大器進行電荷—電壓量轉換，電壓信號經過AD7492模數轉換器成為數字量，轉換的數字量存儲在512 kB的SRAM中，試驗后通過數據線將存儲器中的數據讀至上位機進行分析處理。

圖7（a）是靶場某彈體侵徹5層混凝土板得到的實測數據曲線，基于matlab按照全時態相對波峰檢測算法的流程，處理結果如圖7所示。

根據圖7所示各過程，首先對數據進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，這時檢測到峰值個數為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，這時檢測波峰個數為6，最后通過峰峰間隔信息進一步對曲線進行處理，得到如圖7（e）所示的波形曲線，其中波峰為5個，即為5層介質，到達預想的預測效果，證明了算法的正確性。

5 結 論

侵徹加速度信號包含時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計數的正確性。全時態相對波峰檢測算法通過波峰兩側數據的極性，脈寬和峰峰間隔時間等時間信息為主進行層數的識別，并結合峰值信息對多層對加速度信號波形進行處理，以助于各項時間信息的提取。此算法已經過仿真和實測數據的處理、分析，具有一定的可行性。對于多層侵徹層數的計數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

重點實驗室基金（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