孫倩華，孫 凱，張韓宇

(北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

計(jì)層起爆是侵徹引信根據(jù)侵徹過(guò)載信號(hào)實(shí)時(shí)識(shí)別戰(zhàn)斗部碰目標(biāo)、侵徹目標(biāo)、穿透目標(biāo)、鉆出目標(biāo)一系列歷程并累計(jì)戰(zhàn)斗部穿透目標(biāo)的層數(shù)，控制戰(zhàn)斗部在指定層數(shù)發(fā)出起爆信號(hào)[1]。計(jì)層起爆控制技術(shù)的核心是對(duì)加速度信號(hào)的硬件、軟件處理?，F(xiàn)有的計(jì)層技術(shù)有對(duì)信號(hào)的機(jī)械濾波[2]、電氣濾波、軟件濾波[3]等的信號(hào)預(yù)處理，基于過(guò)載閾值識(shí)別法[4]的計(jì)層起爆控制技術(shù)，基于加速度傳感器和開(kāi)關(guān)信號(hào)融合的計(jì)層算法[5]等。計(jì)層信號(hào)的層識(shí)別通常是在實(shí)際采樣的穿靶信號(hào)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將真實(shí)穿靶過(guò)載信號(hào)的上升沿和下降沿從含噪信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)，而真實(shí)的穿靶過(guò)載信號(hào)與高頻振蕩干擾信號(hào)的幅值也會(huì)存在時(shí)域上的不連續(xù)性，特別是當(dāng)長(zhǎng)徑比大的戰(zhàn)斗部高速侵徹多層目標(biāo)時(shí)，使得層與層之間的過(guò)載相互粘連，現(xiàn)有的侵徹引信難以準(zhǔn)確計(jì)算層數(shù)。本文針對(duì)長(zhǎng)徑比大的戰(zhàn)斗部高速侵徹多層目標(biāo)時(shí)，存在層與層之間的過(guò)載相互粘連，侵徹引信難以準(zhǔn)確計(jì)算層數(shù)的問(wèn)題，提出了基于盒差分濾波的侵徹引信計(jì)層信號(hào)的處理方法。

1 計(jì)層信號(hào)的盒差分濾波檢測(cè)原理

1.1 穿靶過(guò)載信號(hào)研究

以戰(zhàn)斗部高速侵徹多層鋼筋混凝土靶標(biāo)為例，測(cè)得圖1所示的加速度傳感器的過(guò)載信號(hào)。從圖1中可以看出，戰(zhàn)斗部碰第一層靶時(shí)，傳感器感受過(guò)載加速度信號(hào)幅值陡變。戰(zhàn)斗部出靶后，傳感器受應(yīng)力波影響輸出周期衰減信號(hào)，由于戰(zhàn)斗部初速較高，真實(shí)的侵徹過(guò)載信號(hào)與高頻振蕩信號(hào)出現(xiàn)混疊，戰(zhàn)斗部侵徹下一層靶標(biāo)時(shí)前一層侵徹引起的應(yīng)力波還來(lái)不及衰減到較低的水平，從而使響應(yīng)信號(hào)在時(shí)域上出現(xiàn)了信號(hào)粘連的現(xiàn)象。

圖1 戰(zhàn)斗部侵徹多層靶的過(guò)載信號(hào)Fig.1 Sensitive signals of projectile penetrating into multi-layer hard targets

振蕩信號(hào)主要來(lái)源于戰(zhàn)斗部侵徹過(guò)程中應(yīng)力波在戰(zhàn)斗部殼體、引信室及引信之間傳遞造成的高頻振蕩和侵徹過(guò)程中加速度傳感器高頻頻響輸出。振蕩隨時(shí)間而衰減，長(zhǎng)徑比大的戰(zhàn)斗部會(huì)導(dǎo)致相鄰兩層振蕩信號(hào)以及真實(shí)的穿靶過(guò)載信號(hào)互相疊加，使多層靶目標(biāo)過(guò)載信號(hào)的上升沿和下降沿變得異常粘連并難以識(shí)別，甚至將有效層信號(hào)包絡(luò)淹沒(méi)在高頻振蕩信號(hào)中，導(dǎo)致引信對(duì)層識(shí)別產(chǎn)生較大的識(shí)別誤差。

1.2 盒差分濾波檢測(cè)

盒差分濾波器(DOB，difference of boxes)，是數(shù)字圖像處理中常用的濾波器之一，在圖像處理領(lǐng)域中，邊緣是圖像最基本也是最重要的特征之一，在圖像中表現(xiàn)為局部范圍灰度的突變，而邊緣檢測(cè)正是基于幅度不連續(xù)性進(jìn)行圖像分割的方法[6]。邊緣檢測(cè)的基本思想是首先利用邊緣增強(qiáng)算子，突出圖像中的局部邊緣，然后定義像素中的“邊緣強(qiáng)度”，通過(guò)設(shè)置門(mén)限的方法提取邊緣點(diǎn)集[7]。

目前，常用的邊緣檢測(cè)算子有 Canny算子、Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian of Gaussian(LOG)算子等，Canny對(duì)邊緣檢測(cè)提出了3條準(zhǔn)則：良好的檢測(cè)結(jié)果、良好的定位和低重復(fù)響應(yīng)[8]。根據(jù)Canny的準(zhǔn)則[9]，DOB濾波器具有最佳的檢測(cè)結(jié)果。

計(jì)層信號(hào)的層識(shí)別通常是在實(shí)際采樣的穿靶信號(hào)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將真實(shí)穿靶過(guò)載信號(hào)的上升沿和下降沿從含噪信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)，而真實(shí)的穿靶過(guò)載信號(hào)與高頻振蕩干擾信號(hào)的幅值也會(huì)存在時(shí)域上的不連續(xù)性，因此，可以利用數(shù)字圖像邊緣檢測(cè)的思想對(duì)穿靶過(guò)載信號(hào)的上升沿和下降沿進(jìn)行檢測(cè)。

2 計(jì)層信號(hào)的DOB濾波預(yù)處理算法

2.1 DOB濾波器

設(shè)大小為N的DOB濾波器h(k)為：

(1)

可知，DOB濾波器是一種2N+1奇數(shù)階、沖擊響應(yīng)奇對(duì)稱(chēng)的有限長(zhǎng)單位沖擊響應(yīng)濾波器。對(duì)于因果系統(tǒng)，設(shè)：

(2)

在此，假設(shè)x(k)為DOB濾波器的輸入信號(hào)，那么y(k)=x(k)×h(k)則為經(jīng)過(guò)濾波后的輸出信號(hào)。如果M為有限長(zhǎng)信號(hào)x(k) 的長(zhǎng)度，2N+1為DOB濾波器的階數(shù)，那么輸出信號(hào)y(k)的長(zhǎng)度自然為M+(2N+1)-1，即M+2N，那么y(k)的計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

(3)

通常情況下，濾波器階數(shù)2N+1遠(yuǎn)小于輸入信號(hào)的長(zhǎng)度M。根據(jù)線性卷積的計(jì)算過(guò)程以及濾波器移位情況的不同，可以知道對(duì)應(yīng)k的不同取值范圍輸出信號(hào)y(k)的計(jì)算公式主要分為以下七種情況，分別對(duì)應(yīng)圖2中的①—⑦。

圖2 DOB濾波器遍歷信號(hào)的七種情況Fig.2 The seven cases of DOB filter

y(k)=

(4)

另外，計(jì)算過(guò)程可以用迭代遞推的方法實(shí)現(xiàn)，公式如下：

y(k+1)=

(5)

2.2 計(jì)層信號(hào)預(yù)處理方法

加速度傳感器在高沖擊環(huán)境下出現(xiàn)零點(diǎn)漂移會(huì)存在直流分量，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣后的數(shù)據(jù)首先采用減去信號(hào)均值的方法去除直流分量。

由于上述DOB濾波器中M要遠(yuǎn)大于2N+1，在實(shí)際情況中，我們可以認(rèn)為輸入信號(hào)的前2N+1個(gè)點(diǎn)全是未侵入靶的原始信號(hào)(無(wú)信號(hào)到達(dá))，因此，我們只需考慮情況④，即2N+1

(6)

戰(zhàn)斗部在侵徹靶板的侵徹過(guò)載自身頻率大約為幾千赫茲，而實(shí)測(cè)的多層目標(biāo)侵徹過(guò)載信號(hào)中疊加的振蕩信號(hào)頻率則比之高很多，甚至高達(dá)幾兆赫茲。正是這些振蕩信號(hào)的存在使得多層目標(biāo)侵徹過(guò)載變得復(fù)雜難辨。因此，將DOB濾波器的輸出信號(hào)再經(jīng)低通濾波器濾掉這些高頻振蕩信號(hào)，可以在一定程度上消除振蕩噪聲，達(dá)到更理想的處理結(jié)果。

預(yù)處理流程如圖3所示。

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

3 算法仿真

本文采用Matlab軟件對(duì)上述算法進(jìn)行仿真來(lái)驗(yàn)證其適應(yīng)性。通過(guò)對(duì)輸入的加速度傳感器信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，其中濾波器的大小N取50，低通濾波器截止頻率為2 kHz。仿真數(shù)據(jù)采用某型戰(zhàn)斗部侵徹多層鋼筋混凝土靶時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，戰(zhàn)斗部著靶速度約為700 m/s。仿真結(jié)果如圖4所示，其中(a)為試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，(b)為DOB濾波后的結(jié)果，(c)為低通濾波后的輸出結(jié)果。

圖4 計(jì)算結(jié)果Fig.4 The results of computation

通過(guò)對(duì)基于DOB檢測(cè)的引信計(jì)層信號(hào)預(yù)處理算法的仿真分析可知，該算法在戰(zhàn)斗部以較高速度侵徹多層硬目標(biāo)的情況下可以較好地對(duì)穿靶過(guò)載信號(hào)進(jìn)行預(yù)先處理，處理后的層信號(hào)前后沿明顯，具有較好的分層特性，再結(jié)合閾值法可以有效地識(shí)別出戰(zhàn)斗部的入靶出靶，可以很好地改善戰(zhàn)斗部高速侵徹時(shí)穿靶過(guò)載信號(hào)粘連帶來(lái)的層識(shí)別難題。

為研究DOB濾波器的階數(shù)N對(duì)預(yù)處理結(jié)果的影響，分別取濾波器大小為20、50、200，仿真結(jié)果分別為圖5(a)、圖4(b)及圖5(b)所示?？梢钥闯?，隨著濾波器的階數(shù)N的增大，去噪效果更加明顯，當(dāng)濾波器階數(shù)與層信號(hào)內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)相等時(shí)(N=50)效果最好，當(dāng)濾波器階數(shù)大于兩倍的層信號(hào)內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)時(shí)(N=200)，難以獲取有效的層信號(hào)。因此，為達(dá)到較好的識(shí)別效果，選擇的DOB濾波器階數(shù)不能大于層信號(hào)內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)的兩倍。

圖5 不同階數(shù)的計(jì)算結(jié)果Fig.5 The results of different type of orders

4 結(jié)論

本文提出了基于盒差分濾波的侵徹引信計(jì)層信號(hào)預(yù)處理方法。該方法將在圖像處理中廣泛應(yīng)用的邊緣檢測(cè)的思想用于侵徹引信對(duì)戰(zhàn)斗部穿靶過(guò)載的計(jì)層信號(hào)預(yù)處理中，即利用盒差分濾波器對(duì)穿靶過(guò)載上升沿和下降沿檢測(cè)的方法。該算法分三步：第一是將原始信號(hào)進(jìn)行交流耦合，第二是取絕對(duì)值后進(jìn)行DOB濾波，最后對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行低通濾波。仿真結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)處理后的層信號(hào)前后沿明顯，具有較好的分層特性，再結(jié)合閾值法可以有效地識(shí)別出戰(zhàn)斗部的入靶出靶，可以很好地改善戰(zhàn)斗部高速侵徹時(shí)穿靶過(guò)載信號(hào)粘連帶來(lái)的層識(shí)別難題；為達(dá)到較好的識(shí)別效果，選擇的盒差分濾波器階數(shù)不能大于層信號(hào)內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)的兩倍。此外，該算法僅進(jìn)行少量的累加運(yùn)算，易于侵徹引信中低功耗起爆控制單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)。