某型導(dǎo)彈測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)處理研究與實(shí)現(xiàn)

王 茜，仲 超，楊 雷

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.駐中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

數(shù)據(jù)預(yù)處理[1]是數(shù)據(jù)測(cè)試的重要環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理能確保數(shù)據(jù)的無(wú)差異性和非偶然性。一般數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括標(biāo)度變換、數(shù)字濾波、剔除奇異項(xiàng)、剔除趨勢(shì)項(xiàng)和平滑處理。在部隊(duì)，導(dǎo)彈測(cè)試數(shù)據(jù)的預(yù)處理在導(dǎo)彈測(cè)試中占據(jù)重要地位，其預(yù)處理主要包括量綱消除、剔除奇異項(xiàng)和剔除差異項(xiàng)，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)D9接口輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行下一步處理。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理這一課題有較深入的研究，F(xiàn)ayyad U在其著作《Advances in Knowledge Discovery and Data Mining》中講明數(shù)據(jù)變換的聚集過(guò)程，提出幾種聚集方法。GJ.Williams在其著作《Modeling the KDD Process》中指出數(shù)據(jù)預(yù)處理是KDD的重要組成，并詳細(xì)闡述了數(shù)據(jù)清洗問(wèn)題。我國(guó)專(zhuān)家劉乃琦在其著作《IBM-PC混合語(yǔ)言編程技術(shù)》中根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程提出幾個(gè)編程方法并給出實(shí)例。本文依據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，針對(duì)某型導(dǎo)彈的測(cè)試流程，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，完成其測(cè)試數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作。

1 總體設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈數(shù)據(jù)的測(cè)試存在偶然性，一般測(cè)試時(shí)，某些參數(shù)會(huì)多次測(cè)量。參數(shù)包括電壓、電流、時(shí)間和頻率等復(fù)雜類(lèi)別，每個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的一組測(cè)量值也可能存在奇異項(xiàng)和趨勢(shì)項(xiàng)[2]。

針對(duì)這些情況，需先對(duì)參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化，然后剔除參數(shù)中的奇異項(xiàng)和趨勢(shì)項(xiàng)，最終取剔除后每組數(shù)據(jù)的平均值作為對(duì)應(yīng)參數(shù)的實(shí)測(cè)值。

本文使用Multisim14設(shè)計(jì)預(yù)處理模塊電路，使用Matlab調(diào)試預(yù)處理程序，調(diào)試合格后可經(jīng)emlc命令轉(zhuǎn)化為C語(yǔ)言后燒入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，本文主要根據(jù)原理分析和設(shè)計(jì)電路，對(duì)預(yù)處理效果進(jìn)行仿真。

2 硬件設(shè)計(jì)及原理分析

2.1 電路設(shè)計(jì)

從導(dǎo)彈傳入的信號(hào)一般在10-3數(shù)量級(jí)，單片機(jī)無(wú)法識(shí)別，因此，需要對(duì)信號(hào)放大，信號(hào)放大電路如圖1所示。

圖1 信號(hào)放大電路

圖中V1和V2是差動(dòng)放大器[3]同相輸入端，V3是差動(dòng)跟隨器輸出端，其增益近似為1。差動(dòng)放大器放大倍數(shù)如式（1）所示

差動(dòng)放大器使用3288RT，此型號(hào)放大器漂移小、輸入阻抗高、共模抑制比高，適合微小信號(hào)輸出時(shí)使用，還可用作電壓比較器，功能較為強(qiáng)大。

模擬信號(hào)輸入后需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，然后輸入單片機(jī)中，A/D轉(zhuǎn)換器外部連接電路連接如圖2所示。

IN為數(shù)據(jù)輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器D0～D7引腳經(jīng)總線輸入至單片機(jī)中，外接的3個(gè)與門(mén)與內(nèi)置轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，ADDA、ADDB和ADDC是模數(shù)轉(zhuǎn)換區(qū)引腳，一般接地。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換器外部連接電路

2.2 原理分析

采集參數(shù)主要為電壓和電流信號(hào)，電壓和電流數(shù)據(jù)需要進(jìn)行量綱變換，將有量綱量轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱量，這里采用Z標(biāo)準(zhǔn)化[4]的方法，量綱消除公式為

而后得到一個(gè)參數(shù)的多個(gè)無(wú)量綱采樣值，采樣數(shù)據(jù)中可能存在奇異項(xiàng)和趨勢(shì)項(xiàng)。先對(duì)奇異項(xiàng)進(jìn)行剔除，根據(jù)奇異項(xiàng)判斷準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)值xt′用差分方程計(jì)算。

誤差限W根據(jù)采集系統(tǒng)特征確定。檢測(cè)出奇異項(xiàng)后，用預(yù)測(cè)值代替，若有連續(xù)兩個(gè)或以上奇異點(diǎn)出現(xiàn)，則先判斷是否滿(mǎn)足式（4）

經(jīng)驗(yàn)證明，K值一般取5，若滿(mǎn)足式（3），則不剔除，若滿(mǎn)足式（5）

則繼續(xù)用xt′取代xt，即認(rèn)為該點(diǎn)必是干擾點(diǎn)。一般采用肖維勒方法剔除奇異項(xiàng)，肖維勒系數(shù)可按如下近似公式計(jì)算：

如果測(cè)量值與平均值之差絕對(duì)值大于標(biāo)準(zhǔn)偏差與肖維勒系數(shù)[5-6]之積，則該測(cè)量值被剔除，即

趨勢(shì)項(xiàng)的剔除方法為最小二乘法[7]，尋找函數(shù)，使得與x（t）的誤差平方和最小，采樣數(shù)據(jù)為離散化數(shù)據(jù)，令采樣間隔Ts=1，則擬合數(shù)據(jù)多項(xiàng)式為

誤差平方和E（b）的表達(dá)式為

因?yàn)?bm（1≤m≤M）總為正數(shù)，所以 E（b）對(duì) bl求偏導(dǎo)，使其為零，即

式（10）可產(chǎn)生M+1個(gè)如下方程

根據(jù)N個(gè)待處理的xk，可得到（M+1）個(gè)bm值，式（9）實(shí)際是（M+1）元線性方程組。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般M的值在3以?xún)?nèi)，當(dāng)M為1時(shí)，由式（9）可得以下聯(lián)立方程組

再聯(lián)合下式

最終解式（9）可得

3 過(guò)程仿真

由于導(dǎo)彈某些參數(shù)測(cè)試時(shí)需進(jìn)行多次測(cè)量，因此，某些參數(shù)對(duì)應(yīng)的的初始值并不是一個(gè)單值，而是一組數(shù)。這組數(shù)若存在奇異項(xiàng)和趨勢(shì)項(xiàng)，則需剔除并替換。

3.1 奇異項(xiàng)處理

以該型導(dǎo)彈引信起爆需要的多個(gè)多普勒脈沖為例，采樣值為 1.503 4、1.506 2、1.503 4、1.502 4、1.498 5、2.500 0、1.500 7、1.506 7、1.499 3、1.496 9。其中2.500 0為奇異項(xiàng)，此項(xiàng)數(shù)據(jù)保存在“參數(shù)n.dat”文件中。程序調(diào)試可得如圖3所示結(jié)果。

圖3中2.500 0項(xiàng)已被剔除，由于采樣數(shù)據(jù)較多，奇異項(xiàng)較少，數(shù)據(jù)不替換不會(huì)對(duì)最終結(jié)果造成影響，因此，這里不進(jìn)行數(shù)據(jù)替換。

3.2 趨勢(shì)項(xiàng)處理

圖3 奇異項(xiàng)剔除結(jié)果

以該型導(dǎo)彈陀螺轉(zhuǎn)子不通電轉(zhuǎn)速下降值為例，在1 000 ms的時(shí)間內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)子的頻率進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行曲線繪制，并描述其中趨勢(shì)項(xiàng)和總曲線，然后對(duì)趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行剔除，剔除結(jié)果如圖4所示：

圖4 趨勢(shì)項(xiàng)剔除結(jié)果

這里為方便觀測(cè)，轉(zhuǎn)子頻率設(shè)為不變，表現(xiàn)為如圖所示的正弦波。趨勢(shì)項(xiàng)設(shè)為時(shí)刻變化的連續(xù)值，表現(xiàn)為如圖的曲線。對(duì)兩者的混合信號(hào)進(jìn)行處理，剔除趨勢(shì)項(xiàng)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某型導(dǎo)彈測(cè)試流程的分析，依據(jù)現(xiàn)階段研究情況，參考部分文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)具備預(yù)處理功能的模塊，以滿(mǎn)足我軍在該型導(dǎo)彈測(cè)試上的需要。現(xiàn)階段我軍測(cè)試技術(shù)還有不足之處，未來(lái)在數(shù)據(jù)預(yù)處理領(lǐng)域會(huì)融入更多如大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等高新技術(shù)。