高射頻連發(fā)測速彈丸信號識別算法

馬時亮，倪晉平，楊延西

(1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021；2.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，西安 710048)

室內(nèi)靶道試驗(yàn)是輕武器研制和生產(chǎn)中不可缺少的外彈道參數(shù)測量試驗(yàn)，由于試驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定，安全性好，已大量使用在槍炮彈和發(fā)射藥的生產(chǎn)企業(yè)和研究院所.彈道預(yù)定點(diǎn)速度的測量是室內(nèi)靶道試驗(yàn)中必測項(xiàng)目，目前一般采用定距測時原理，利用彈道區(qū)截裝置探測彈丸飛過區(qū)截彈道的時間，依據(jù)彈道距離計(jì)算出彈丸飛過區(qū)截彈道間的速度[1-6].區(qū)截裝置常采用探測光幕[4-10].高射頻連發(fā)彈丸發(fā)射瞬間存在的沖擊波沿室內(nèi)靶道傳播，衰減較小，沖擊波會引起放置在室內(nèi)靶道中的測速光幕誤動作，高靈敏度的測速光幕靶還會對彈丸激波信號反應(yīng)，從而導(dǎo)致光幕輸出的彈丸過幕信號夾雜在沖擊波和彈丸激波的干擾信號中，真正的彈丸信號很難被準(zhǔn)確識別.光幕輸出的彈丸過幕信號輪廓與彈丸外形相似，因此稱為彈形信號[1,4].對單發(fā)射擊的超音速彈丸和亞音速彈丸[10]，上述的干擾信號在時間上遠(yuǎn)離彈形信號，較容易識別.而單發(fā)射擊的近音速彈丸和連發(fā)射擊[11-14]彈丸，彈形信號與干擾信號在出現(xiàn)的時段內(nèi)混雜.對低靈敏度的小靶面測速光幕靶，一般靶面在1 m×1 m以下，沖擊波和激波的干擾較小，彈形信號幅值高，很容易識別出來；但對分體式實(shí)現(xiàn)的10 m×10 m測速光幕，探測光幕靈敏度高，靶面大，沖擊波和激波的干擾嚴(yán)重，連發(fā)下的彈形信號很難識別.針對室內(nèi)大橫截面靶道的分體式光幕輸出的模擬信號，本文提出一種連發(fā)彈丸信號識別算法，能準(zhǔn)確識別連發(fā)射擊彈丸的彈形信號.

1 光幕連發(fā)測速系統(tǒng)組成及工作原理

光幕速度測量系統(tǒng)基于雙區(qū)截定距測時原理[1,4,10]，主要由光幕探測傳感器、信號調(diào)理電路、信號隔離儀、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集與處理軟件組成，系統(tǒng)原理如圖1所示.光幕探測傳感器由啟動傳感器和停止傳感器組成，實(shí)現(xiàn)對穿過其探測區(qū)域飛行彈丸的探測；信號調(diào)理電路對光幕探測傳感器輸出的電信號進(jìn)行放大、濾波和整形等調(diào)理，然后送給信號隔離儀；信號隔離儀則實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集卡之間的電信號物理隔離，保證測試過程中彈丸信號的可靠采集.數(shù)據(jù)采集卡和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成數(shù)據(jù)采集儀硬件，記錄光幕探測傳感器輸出的兩路連發(fā)彈丸模擬信號；數(shù)據(jù)采集與處理軟件安裝在計(jì)算機(jī)中，分析與處理過幕的連發(fā)彈丸信號，識別彈形信號，計(jì)算彈丸穿過兩個光幕傳感器的飛行時間[15]，并存儲、顯示彈丸信號和測試結(jié)果.

測試時，將一對光幕探測傳感器放置于預(yù)定彈道測速位置附近，并測定靶距S.連發(fā)彈丸射出后，所有彈丸將先后依次穿過啟動光幕和停止光幕.第一發(fā)彈丸穿過啟動光幕的瞬間，數(shù)據(jù)采集儀開始連續(xù)記錄兩個通道的光幕傳感器輸出的彈丸模擬信號.通過對連發(fā)彈丸信號進(jìn)行分析與處理，濾除沖擊波和激波干擾信號后，識別出所有的彈形信號；結(jié)合廣義相關(guān)算法[16]，可依次計(jì)算連發(fā)彈丸信號的飛行時間ΔT1,ΔT2,…,ΔTn(n為一次連發(fā)射擊彈丸數(shù)量)；再根據(jù)定距測速公式計(jì)算連發(fā)彈丸過靶速度V1,V2,…,Vn，表達(dá)式為

(1)

其中ΔTi為一次連發(fā)射擊中第i發(fā)彈丸的過幕時間.

圖1 光幕測速系統(tǒng)原理圖

2 連發(fā)彈丸信號特征分析

聲波在管道內(nèi)傳播衰減較小，室內(nèi)靶道相當(dāng)于聲波傳播的管道，發(fā)射的沖擊波影響探測光幕，在光幕輸出的信號中會夾雜干擾信號.在測速系統(tǒng)的探測光幕放大信號與處理電路中施加低頻濾波措施，可濾除因沖擊波造成探測光幕信號中的低頻振蕩信號，但是，除第一發(fā)之后的光幕信號均伴有一定的振蕩.為了實(shí)現(xiàn)小口徑彈丸在大靶面探測光幕下的測試，分體式探測光幕的靈敏度很高，因而導(dǎo)致激波信號一同被放大，造成彈形信號與激波信號混雜.圖2為夾雜干擾信號的超音速某型號連發(fā)彈丸信號波形.

從圖2可以看出，干擾信號與彈形信號在幅值與寬度上接近，彈形信號后面跟著三個干擾信號.干擾信號特征為：幅值上比彈形信號小，寬度上比彈形信號略窄；彈形信號到達(dá)光幕后，經(jīng)過一定時間延遲，干擾信號才到達(dá)光幕.

圖2 夾雜干擾信號的連發(fā)彈丸信號波形

對任一單發(fā)彈丸，在給定靶距條件下，由式(1)可知穿過啟動光幕和停止光幕的時間與速度成反比.據(jù)此特征，只要確定了任一個信號為彈形信號，另一個信號必然出現(xiàn)在該速度限制范圍內(nèi)，而不在該范圍內(nèi)的信號則為干擾信號.

對連發(fā)射擊彈丸，相鄰的兩發(fā)彈丸穿過同一探測光幕的時間與其射頻成反比，則不滿足射頻限制的信號均認(rèn)為干擾信號.而相鄰的兩發(fā)彈丸先后穿過彈道上同一測速點(diǎn)的兩個探測光幕，雖然空氣阻力等因素造成彈丸速度衰減，但兩發(fā)彈丸穿過同一光幕的時間間隔大致相等，下文將此特征稱為過幕時間約定準(zhǔn)則.一般情況下，第一發(fā)彈丸的彈形信號干凈，沒有被干擾，可以作為識別算法中的標(biāo)準(zhǔn)彈形信號和識別基準(zhǔn).

3 連發(fā)彈丸信號識別算法

數(shù)據(jù)采集卡采集到連發(fā)彈丸模擬信號后，采樣信號首先被送入計(jì)算機(jī)，并同時在計(jì)算機(jī)專用軟件中保存，其中，數(shù)據(jù)采集卡的通道1存儲啟動光幕傳感器輸出的彈丸模擬信號，稱為啟動通道；通道2存儲停止光幕傳感器輸出的彈丸模擬信號，稱為停止通道.然后，采集信號通過滑動平均濾波算法預(yù)處理[10]，濾除擾動帶來的毛刺干擾信號.最后，根據(jù)光幕傳感器輸出的連發(fā)彈丸信號特征，通過連發(fā)彈丸信號識別算法識別出所有的連發(fā)彈丸的彈形信號.

3.1 疑似彈形信號識別

經(jīng)過預(yù)處理后的兩個通道的連發(fā)彈丸采樣信號，不僅有彈形信號，還可能含有干擾信號.一般情況下，干擾信號在幅值和時間寬度上與彈形信號不同，利用此特征，通過幅值閾值和時間寬度的限制，濾除部分干擾信號，識別出符合彈種特性的疑似彈形信號.

設(shè)單個采樣信號為u(t)，t>0；Umax為信號u(t)的最大值，Us為某一固定閾值，且有Us

圖3 單個彈形信號識別示意圖

令Tk=th-tq，其中tq為閾值與信號前沿相交的時刻，th為閾值與信號后沿相交的時刻，Tk為相對該閾值的信號時間寬度.結(jié)合實(shí)際射擊彈種，給定某一閾值Us以及信號時間寬度Ts和微小量Δ，且滿足

(2)

則疑似彈形信號的判別原則為：①當(dāng)Tk∈(Ts-Δ,Ts+Δ)時，u(t)為疑似彈形信號；②當(dāng)Tk?(Ts-Δ,Ts+Δ)時，u(t)為干擾信號.啟動通道和停止通道的采樣信號分別經(jīng)過該算法處理后，每個通道僅剩下彈形信號和與彈形信號寬度、幅值接近的干擾信號.

3.2 射頻約定準(zhǔn)則濾波

連發(fā)射擊時，前后兩發(fā)彈丸通過同一個探測光幕時，它們之間的時間受連發(fā)的射頻限制.結(jié)合連發(fā)彈丸的射頻特征，在確認(rèn)第一個彈形信號后，通過連發(fā)射頻限制，可以濾除與下一個彈形信號之間的其他干擾信號.啟動通道和停止通道的采樣信號可以分別經(jīng)過該算法進(jìn)行處理.

假設(shè)：某連發(fā)射擊一次射擊N發(fā)彈丸，第i發(fā)彈丸穿過光幕的時刻為Ti，下一發(fā)彈丸穿過光幕的時刻為Ti+1，連發(fā)射頻為f，則相鄰兩發(fā)彈丸穿過光幕的時間ΔT滿足如下方程為

ΔT=Ti+1-Ti=60×1/f

(3)

式中：連發(fā)射頻單位為發(fā)·min-1；過幕時刻單位為s.

假設(shè)第i發(fā)彈丸的彈形信號已被正確識別，根據(jù)上述的連發(fā)射頻時間限制，相鄰下一發(fā)彈丸的彈形信號只能在(Ti+ΔT)時刻值附近出現(xiàn)；或者，相鄰上一發(fā)彈丸的彈形信號只能在(Ti-ΔT)時刻值附近出現(xiàn).

3.3 速度約定準(zhǔn)則濾波

不同彈種的彈丸具有不同的速度，先后穿過兩個探測光幕的時間也不同，利用這個特點(diǎn)，通過限制彈丸過幕時間，可以濾除疑似彈形的干擾信號.

假設(shè)：某彈種的速度范圍是(Vmin,Vmax)，兩個探測光幕間距離為S，則根據(jù)式(1)可得彈丸穿過兩個光幕的最短時間ΔTmin和最長時間ΔTmax為

(4)

假設(shè)啟動通道的第i發(fā)彈丸的彈形信號是已被正確識別的啟動信號，對應(yīng)的時間值為Ti，則停止通道中與之對應(yīng)的停止信號的彈形信號只能位于(Ti+ΔTmin,Ti+ΔTmax)時間范圍內(nèi)；反之，假設(shè)停止通道的第j發(fā)彈丸的彈形信號是已被正確識別的停止信號，對應(yīng)的時間值為Tj，則啟動通道中與之對應(yīng)的啟動信號的彈形信號只能位于(Tj-Tmax,Tj-Tmin)時間范圍內(nèi).

3.4 過幕時間約定準(zhǔn)則濾波

連發(fā)彈丸射擊時，相鄰的兩發(fā)彈丸將先后穿過啟動光幕和停止光幕.前后兩發(fā)彈丸穿過啟動光幕和停止光幕的時間，理論上大致相等.

假設(shè)：相鄰的兩發(fā)連發(fā)彈丸先后穿過啟動光幕的時刻分別為T11和T21，穿過停止光幕的時刻分別為T12和T22.根據(jù)上述連發(fā)時間約定規(guī)則，則四個時刻值應(yīng)滿足如下方程：

ΔT=T21-T11≈T22-T12

(4)

假設(shè)啟動通道中相鄰的2個彈形信號已被正確識別，與之對應(yīng)的停止通道中第1個彈形信號也被正確識別，根據(jù)式(4)所述的連發(fā)時間約定，則停止通道中第2個彈形信號只可能在(ΔT+T12)附近出現(xiàn).同理，一旦確定上述疑似彈形信號中的任意3個為彈形信號，根據(jù)式(4)即可以搜索并識別出另一個彈形信號，同時濾除該信號附近的干擾信號.

3.5 連發(fā)彈丸信號識別算法實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集與處理軟件獲得連發(fā)彈丸的采樣數(shù)據(jù)后，可按以下步驟實(shí)現(xiàn)連發(fā)彈丸的彈形信號識別：

① 對啟動通道和停止分別進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過滑動平均濾波算法濾除各個通道的部分干擾信號，處理后的數(shù)據(jù)作為后續(xù)處理的輸入數(shù)據(jù).

② 識別疑似彈形信號.結(jié)合彈形信號特征，設(shè)置彈丸信號識別的幅值閾值和時間寬度范圍，滿足這兩個約束條件的信號即被識別為疑似彈形信號.

③ 采用射頻約定準(zhǔn)則識別同一通道的下一發(fā)彈形信號.將每個通道的首發(fā)彈形信號作為識別基準(zhǔn)信號，根據(jù)連發(fā)彈丸的射頻，針對每個通道的信號進(jìn)行射頻限制濾波，濾除限制范圍外的干擾信號.

④ 采用速度約定準(zhǔn)則識別同一發(fā)彈丸在停止通道的彈形信號.將啟動通道的首發(fā)彈形信號作為基準(zhǔn)信號，根據(jù)射擊彈丸的速度范圍并結(jié)合兩個光幕間的距離，得到同一發(fā)彈丸先后穿過兩個光幕面的時間限制范圍，停止通道中不在該時間范圍內(nèi)的信號認(rèn)定為干擾信號.

⑤ 采用過幕時間約定準(zhǔn)則確認(rèn)停止光幕中下一發(fā)彈丸的彈形信號，濾除時間約束范圍外的干擾信號.

重復(fù)第③～⑤步，直至識別完成所有采集的連發(fā)彈丸數(shù)據(jù)，結(jié)合廣義相關(guān)算法計(jì)算所有的連發(fā)彈丸過幕時間和速度，顯示測量結(jié)果.上述算法步驟中也可以將通道2作為基準(zhǔn)識別通道1的信號.

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)1：在某試驗(yàn)場室內(nèi)靶道用XGK-2012型光幕靶和數(shù)據(jù)采集儀組成的測量系統(tǒng)對某型號彈丸進(jìn)行了連發(fā)實(shí)彈實(shí)驗(yàn)，兩臺光幕靶間距離S=5.366 m.數(shù)采參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率1 MHz，采樣時間長度2 s，信號識別閾值Us=2.0 V ，信號時間寬度(20,40) μs，速度限制(750,950) m·s-1.數(shù)據(jù)采集儀采集的光幕靶輸出的部分連發(fā)彈丸信號波形如圖4所示.

結(jié)果分析：① 通過信號識別閾值截取，啟動通道4個信號時間寬度分別為27 μs、24 μs、21 μs和10 μs，第4個信號不在信號時間寬度范圍內(nèi)，為干擾信號；前3個信號作為疑似彈形信號被保留.停止通道的信號識別同啟動通道，前3個信號均作為疑似彈形信號被保留.② 假設(shè)啟動通道的3個疑似彈形信號對應(yīng)時刻值分別為Tq1、Tq2和Tq3，停止通道3個疑似彈形信號對應(yīng)時刻值為Tt1、Tt2和Tt3.通過軟件計(jì)算，Tq1和Tt1時間差值ΔT11=6 264 μs，Tq1和Tt2時間差值ΔT12=77 305 μs，Tq2和Tt2時間差值ΔT22=15 330 μs，Tq3和Tt3時間差值ΔT33=15 340 μs.根據(jù)速度濾波限制并結(jié)合式(1)，啟動信號與停止信號間的時間差值只可能在(5 648,7 155) μs范圍內(nèi)，通過比較可知：Tq1和Tt1為彈形信號，Tq2、Tq3、Tt2和Tt3為干擾信號.

圖4 光幕靶輸出的部分連發(fā)彈丸信號波形

實(shí)驗(yàn)2：在某試驗(yàn)場室內(nèi)靶道用XGK-2010型光幕靶和數(shù)據(jù)采集儀組成的測速系統(tǒng)對某型號彈丸進(jìn)行了20連發(fā)實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)用槍彈的標(biāo)準(zhǔn)速度V=850 m·s-1，理論射頻f=3 000發(fā)·min-1；兩臺光幕靶間距離S=1.000 m.數(shù)采參數(shù)設(shè)置如下：采樣頻率1 MHz，采樣時間長度2 s，信號識別閾值Us=1.0 V，信號時間寬度(10,60) μs，速度限制(800,1 000) m·s-1.采集的探測光幕輸出的部分連發(fā)彈丸信號波形如圖5所示.該連發(fā)彈丸模擬信號經(jīng)過疑似彈形信號識別算法處理后，軟件自動識別出啟動光幕有21個疑似彈形信號，停止光幕有20個疑似彈形信號.經(jīng)過連發(fā)彈丸信號識別算法處理得到的連發(fā)彈丸速度和射頻見表1.

圖5 兩臺光幕傳感器輸出的部分連發(fā)彈丸信號波形

表1 連發(fā)彈丸速度測量結(jié)果

結(jié)果分析：圖5的連發(fā)彈丸啟動光幕信號中含有一個干擾信號，該信號可通過連發(fā)彈丸的射頻約定準(zhǔn)則和過幕時間約定準(zhǔn)則濾除.① 已知連發(fā)射頻f=3 000發(fā)·min-1，并假設(shè)連發(fā)射擊的極限射頻范圍為(0.85×f,1.15×f)發(fā)·min-1，則下一發(fā)彈丸的啟動信號應(yīng)該在(Tq1+17 391,Tq1+23 529)μs范圍內(nèi)，即前后兩發(fā)彈丸穿過同一傳感器的時間不超過(17 391,23 529)μs.通過計(jì)算，啟動光幕信號中干擾信號與第一發(fā)彈丸信號時間差值為4 993 μs，明顯超出射頻范圍限制，應(yīng)予以剔除.② 設(shè)前后兩發(fā)彈丸依次穿過啟動光幕和停止光幕的時刻值分別為Tq1,Tq2,Tt1和Tt2，通過軟件計(jì)算：ΔTq12=Tq2-Tq1=4 993 μs，ΔTt12=Tt2-Tt1=17 893 μs.根據(jù)兩個通道間連發(fā)過幕時間約定準(zhǔn)則ΔTq12≈ΔTt12，而實(shí)際上ΔTq12<0.3·ΔTt12，兩個時間值相差很大；而啟動光幕信號中第3個信號與第1個信號的時間ΔTq13=Tq3-Tq1=17 884 μs，幾乎與ΔTt12完全相等，滿足連發(fā)時間約定準(zhǔn)則.通過以上數(shù)據(jù)的對比分析，即可判定啟動光幕第2個信號為干擾信號，應(yīng)予以剔除.

5 結(jié) 論

室內(nèi)靶道光幕測速系統(tǒng)獲取探測光幕輸出的連發(fā)射擊彈丸信號，不僅有彈形信號，而且還有沖擊波、激波等干擾信號.

1) 通過對連發(fā)彈丸的彈形信號以及干擾信號的特征進(jìn)行分析，結(jié)合信號時間寬度、幅值識別閾值以及預(yù)定彈丸速度和連發(fā)射頻等參數(shù)，提出了疑似彈形信號識別算法、射頻約定準(zhǔn)則濾波算法、速度約定準(zhǔn)則濾波算法以及過幕時間約定準(zhǔn)則濾波算法.

2) 通過兩類實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出的連發(fā)彈丸信號識別算法能夠有效濾除連發(fā)彈丸信號中夾雜的干擾信號，準(zhǔn)確識別出連發(fā)彈形信號.

3) 本文提出的算法能實(shí)現(xiàn)一類室內(nèi)靶道光幕測速系統(tǒng)連發(fā)射擊下彈丸速度的測量，也能較好地識別超音速或低音速彈丸的彈形信號，但對近音速彈丸的彈形信號識別是下一步工作的研究重點(diǎn).