系留氣球拉力傳感器數(shù)字濾波算法研究

段玲琳 葉明傲

(中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所 合肥 230088)

1 引言

在系留氣球系統(tǒng)中拉力傳感器安裝在系留部件上，如圖1所示，用于測量纜繩的張力，且其輸出靈敏度為mV/V的弱模擬信號。纜繩的張力與系留氣球放飛的狀態(tài)和環(huán)境風(fēng)速有密切的關(guān)系，張力超限必須回收系留氣球，但是如果發(fā)生虛警而回收系留氣球會影響任務(wù)的完成，所以纜繩張力測量的準(zhǔn)確與否密切關(guān)系到系留氣球放飛的安全性和工作效率。

由于系留氣球是一種浮地的系統(tǒng)，抗干擾能力差，而且系留氣球體積龐大，拉力傳感器的供電和信號采集都必須采用長線傳輸方案，電纜在走線過程中不可避免會出現(xiàn)模擬信號線、數(shù)字信號線、控制線和電源線在一個(gè)線束中排線的情況，這樣線間耦合產(chǎn)生傳輸過程的干擾［1］。拉力傳感器工作中還受到主要來自放飛現(xiàn)場的雷達(dá)、無線電通訊設(shè)備、等的電磁輻射脈沖干擾。

圖1 拉力傳感器安裝位置

濾波方法是抑制干擾的一種有效途徑，可利用硬件濾波器電路或軟件濾波器算法提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。硬件濾波措施是使用較多的一種方法，技術(shù)比較成熟，但同時(shí)也增加了設(shè)備，提高了成本，而且電子設(shè)備的增加有可能帶來新的干擾源。而軟件濾波算法不需增加硬件設(shè)備，可靠性高，功能多樣，使用靈活，具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然它需要占用一定的資源。

2 常用的數(shù)字濾波方法

2.1 針對隨機(jī)干擾的濾波方法

2.1.1 限幅濾波法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定出兩次采樣的最大偏差Δ，若先后兩次采樣差的絕對值大于Δ，表明輸入為干擾信號，應(yīng)剔除;差的絕對值若小于或等于Δ，表明沒有受到干擾，本次采樣值有效。這樣可以濾去隨機(jī)干擾和傳感器不穩(wěn)定而引起的誤差［2］。

2.1.2 中位值濾波法

連續(xù)采樣N次(N取奇數(shù))，把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。這樣能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果［3］。

2.2 針對抖動的濾波方法

2.2.1 算術(shù)平均濾波法

連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N值較大時(shí)，信號平滑度較高，但靈敏度較低，N值較小時(shí)，信號平滑度較低，但靈敏度較高［4］。適用于在某一數(shù)值范圍上下波動受到隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波，對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用［5］。

2.2.2 消抖濾波法

采樣當(dāng)前值持續(xù)與當(dāng)前有效值不等，則采樣當(dāng)前值有效。可能會將干擾值當(dāng)作有效值導(dǎo)入系統(tǒng)。

2.3 針對脈沖式干擾的濾波方法

中位值平均濾波法:又稱防脈沖干擾平均濾波法。連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N－2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值?？上捎诿}沖干擾所引起的采樣值偏差，測量速度較慢。

3 信號分析

系留氣球整個(gè)放飛過程分為系留、爬升、滯空、回收、系留這五個(gè)過程。系留中由于纜繩不受力，所以拉力傳感器的理想輸出為0;爬升過程中纜繩從松弛狀態(tài)突然繃緊受力，拉力傳感器的輸出突然增大，然后隨著爬升的高度緩慢增大;在滯空過程中纜繩的張力受到環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向的影響在一定范圍內(nèi)波動;回收過程是爬升的逆過程，在轉(zhuǎn)到系留過程的瞬間纜繩張力突然減為0。從整個(gè)放飛過程來分析，拉力傳感器的輸出存在突變的過程，所以在數(shù)字濾波方法的選擇中既要濾去干擾信號又必須在系統(tǒng)允許的時(shí)間內(nèi)保持對突變信號的敏感度，否則張力值不能反映放飛的真實(shí)狀態(tài)。

系留氣球主要完成對地或者對低空的偵查任務(wù)，不可避免會受到雷達(dá)信號的干擾。雷達(dá)信號一般為占空比小于20%的周期性脈沖信號，所以針對此種干擾信號的特點(diǎn)，數(shù)字濾波算法必須能夠?yàn)V除脈沖干擾信號。

系留氣球是一個(gè)浮地的系統(tǒng)，長期的滯空環(huán)境導(dǎo)致電子設(shè)備上積累了大量的電荷無法釋放，所以系留氣球的電子設(shè)備的內(nèi)帶電現(xiàn)象非常嚴(yán)重。此外系留氣球的電訊系統(tǒng)是一個(gè)混合系統(tǒng)，包含了傳感器輸出的模擬或者數(shù)字的弱信號以及無線通信的高頻信號，所以其所謂的地線上的干擾也相當(dāng)嚴(yán)重。

4 數(shù)字濾波的應(yīng)用

以上提到的各種濾波算法僅對某些特定干擾信號有抑制作用，針對系留氣球上多種復(fù)雜干擾需要采用多種濾波組合的算法實(shí)現(xiàn)綜合濾波效果。

拉力傳感器連續(xù)工作的過程主要是系留氣球的滯空過程，纜繩張力的總體變化比較平緩，在短時(shí)間內(nèi)不會有很大的波動，限幅可以濾去部分脈沖干擾，所以這里采用“限幅平均濾波法”作為濾波算法的基礎(chǔ)，但做一定的改進(jìn)。

具體算法步驟如下:

A.首先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對限幅的幅度范圍進(jìn)行選定［－a，a］;

B.然后建立遞推平均隊(duì)列 q1=(d1，d2，…，dn)，隊(duì)列長度固定為n，將每次采樣到的新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，把隊(duì)列中的n個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為當(dāng)前有效值a1;

C.建立超差隊(duì)列 q2=(c1，c2，…，cm)，隊(duì)列的長度固定為m;

a.當(dāng)前采樣值與q1的隊(duì)尾值進(jìn)行比較:

·如果差在［－a，a］內(nèi)當(dāng)前采樣值進(jìn)q1隊(duì)列，把隊(duì)列中的n個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為當(dāng)前有效值ai，并且清除q2隊(duì)列里所有的值;

·如果當(dāng)前采樣值與q1的隊(duì)尾值進(jìn)行比較，差超出［－a，a］范圍，當(dāng)前采樣值進(jìn)q2隊(duì)列，將q1隊(duì)列的隊(duì)尾值再次填充進(jìn)q1隊(duì)列，當(dāng)q2隊(duì)列滿時(shí)，通過均方根來判斷超差隊(duì)列的數(shù)據(jù)是否有效，因?yàn)榫礁梢苑从硵?shù)據(jù)的聚散程度。

求q2的平均值Eq2:

求q2的均方根Dq2:

其中B作為均方根的參考值，如果Dq2≥B說明超差隊(duì)列內(nèi)的數(shù)據(jù)為干擾數(shù)據(jù)，不可取;如果Dq2≤B說明實(shí)際數(shù)據(jù)確實(shí)有很大變化，將當(dāng)前采樣值放入q1隊(duì)列的隊(duì)尾，并將超差隊(duì)列q2內(nèi)所有數(shù)據(jù)清除;

b.如此循環(huán)濾波，得到濾波有效值序列(a1，a2，…，ai)。

在實(shí)際放飛的過程中，風(fēng)速存在高頻分量時(shí)纜繩張力真實(shí)存在一定的中等頻率分量，所以在對遞推平均隊(duì)列q1=(d1，d2，…，dn)隊(duì)列長度n的選擇時(shí)這個(gè)頻率值必須作為參考依據(jù);為了保證濾波算法對信號的良好跟隨性，對于超差隊(duì)列q2=(c1，c2，…，cm)隊(duì)列的長度m的選擇也至關(guān)重要。

以某型系留氣球某次放飛的數(shù)據(jù)為依據(jù)利用Matlab根據(jù)上述算法仿真計(jì)算，這里取a=50，n=5，m=5，B=5，原始數(shù)據(jù)如圖2中虛線所示。

圖2 濾波值與原始值比較圖

從圖2可以看到3000點(diǎn)以前有很強(qiáng)的脈沖干擾信號，4900點(diǎn)左右有明顯的突變。

濾波后的數(shù)據(jù)如圖2實(shí)線所示。從圖2上很明顯看到在3000點(diǎn)以前數(shù)字濾波對信號干擾的濾除作用良好，同時(shí)數(shù)字濾波對于在4900點(diǎn)左右的突變信號也有較好的跟隨性。

5 結(jié)束語

在針對拉力傳感器輸出所受的復(fù)雜脈沖干擾濾波過程中，改進(jìn)的限幅平均濾波算法在仿真驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用中都取得了很好的濾波效果，同時(shí)還能夠反映源信號的真實(shí)信號特性。

［1］郝慧萍，高明.航天器環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備計(jì)量測試系統(tǒng)中的電磁干擾及其抑制綜述［J］.宇航計(jì)測技術(shù)，2007，27(2):55 －57.

［2］王慶河，王慶山.數(shù)據(jù)處理中的幾種常用數(shù)字濾波算法［J］.計(jì)量技術(shù)，2003(4):53－54.

［3］鄭濤，石秀華，許暉.數(shù)字濾波新方法嘗試與驗(yàn)證［J］.測控技術(shù)，2004，23(4):19 －20.

［4］任克強(qiáng)，劉暉.微機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字濾波算法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，(03).

［5］趙毅.數(shù)字濾波的算術(shù)平均法和加權(quán)平均法［J］.儀表技術(shù)，2001(4):41，44.