沖擊波超壓測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法研究*

王海鋒,祿曉飛，涂國(guó)勇，紀(jì)沖

(1.中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 蘭州 732750；2.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007)

0 引言

為使毀傷測(cè)量數(shù)據(jù)得到充分應(yīng)用，需要及時(shí)完成測(cè)量數(shù)據(jù)的分析處理、參數(shù)提取工作。沖擊波超壓測(cè)量過(guò)程中布設(shè)有數(shù)百個(gè)測(cè)量傳感器[1]，數(shù)據(jù)采樣頻率1 MHz，單個(gè)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)有4～8 MB，數(shù)據(jù)總量較大，但其中僅有很少一部分為有效數(shù)據(jù)段，且測(cè)量數(shù)據(jù)受到多種干擾信號(hào)的影響，有效信號(hào)提取困難[2]。在大規(guī)模毀傷試驗(yàn)中，對(duì)沖擊波測(cè)量數(shù)據(jù)采用人工逐個(gè)處理，勞動(dòng)量大、時(shí)效差，沒(méi)有規(guī)范的數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)處理精度受人為因素影響較大[3]。

通過(guò)對(duì)沖擊波超壓測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程分析，規(guī)范數(shù)據(jù)處理的各環(huán)節(jié)，探討對(duì)大批量數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)分析方法?；跊_擊波傳播的區(qū)域關(guān)聯(lián)原理[4]，自動(dòng)批處理完成數(shù)據(jù)預(yù)處理工作；利用自適應(yīng)濾波方法進(jìn)行噪聲處理[5]；構(gòu)建以沖擊波到達(dá)時(shí)間范圍內(nèi)存在階躍波形為準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)方法；利用均值法實(shí)現(xiàn)沖擊波超壓直接提取。有效提升了數(shù)據(jù)處理效率及精度。

1 數(shù)據(jù)處理流程

獲取沖擊波超壓測(cè)量數(shù)據(jù)后，需經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、噪聲處理、數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證、沖擊波超壓提取等環(huán)節(jié)，完成毀傷試驗(yàn)沖擊波超壓測(cè)量數(shù)據(jù)的處理[6]。

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要工作是實(shí)現(xiàn)傳感器有效數(shù)據(jù)段的統(tǒng)一提取，減小數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)處理效率；噪聲處理完成對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)中的高頻噪聲進(jìn)行濾波處理，還原真實(shí)的沖擊波波形；數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)效測(cè)量數(shù)據(jù)的剔除，保留有效測(cè)量數(shù)據(jù)；沖擊波超壓提取完成沖擊波到達(dá)傳感器的時(shí)間、沖擊波波形的零位及峰值的合理提取，計(jì)算當(dāng)前位置的沖擊波超壓值。數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖1。

圖1 沖擊波超壓測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Data processing flow of shock wave over pressure measurement

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

毀傷試驗(yàn)中測(cè)量數(shù)據(jù)總量較大，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸以及后續(xù)處理造成了很大壓力。因此，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)傳感器有效數(shù)據(jù)段的自動(dòng)提取，減小數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)處理效率。工作流程如下：

(1) 以目標(biāo)點(diǎn)為中心建立平面坐標(biāo)系Oxy，其中x軸方向?yàn)閷?dǎo)彈射向方向，以導(dǎo)彈入射方向?yàn)樨?fù)；y軸與x軸垂直，射向右側(cè)為正，坐標(biāo)系示意圖如圖2所示；

圖2 目標(biāo)平面坐標(biāo)系示意圖Fig.2 Target coordinate system

(2) 根據(jù)傳感器布設(shè)方案測(cè)得各傳感器在目標(biāo)平面坐標(biāo)系中的位置(xi,yi)；

(3) 測(cè)量爆心在Oxy坐標(biāo)系中的位置(x0,y0)；

(5) 對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，還原沖擊波測(cè)量信息；

(6) 均勻選取5～10個(gè)距爆心不同位置的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工判讀，判讀出沖擊波到達(dá)傳感器的時(shí)間ti；

(7) 利用人工判讀結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，根據(jù)擬合曲線預(yù)估沖擊波到達(dá)其他傳感器的時(shí)間tj；

(8) 截取以tj為中心的數(shù)據(jù)段，作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的原始數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。

試驗(yàn)中，選取不同距離傳感器數(shù)據(jù)作為特征點(diǎn)，人工判讀沖擊波到達(dá)時(shí)間并進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，結(jié)果見(jiàn)圖3。

根據(jù)擬合曲線，預(yù)估其他位置處傳感器沖擊波到達(dá)時(shí)間tj，并與人工判讀結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

(1)

(2)

圖3 特征點(diǎn)二次多項(xiàng)式擬合曲線Fig.3 Polynomial fitting curve using characteristic points

3 數(shù)據(jù)噪聲處理

目標(biāo)爆炸后，傳感器測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得一個(gè)電壓時(shí)程曲線，其典型曲線見(jiàn)圖4a)，表征該位置傳感器的測(cè)量電壓隨時(shí)間變化情況。傳感器測(cè)量電壓與沖擊波壓力變換關(guān)系為

P=aU,

(3)

式中:P為沖擊波壓力(MPa)；a為傳感器動(dòng)態(tài)靈敏度系數(shù)(常量)；U為傳感器測(cè)量電壓(V)[7]。

從圖4中看出，沖擊波波形主要由主爆炸沖擊波和后續(xù)地面反射波2部分組成，在整個(gè)曲線上都存在密集的尖峰狀高頻脈沖干擾，這是彈丸和破片沖擊波持續(xù)干擾造成的，伴隨爆炸產(chǎn)生的高速破片及較強(qiáng)的電磁場(chǎng)、強(qiáng)閃光、高溫等會(huì)對(duì)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)的傳感器、電纜、測(cè)量設(shè)備等造成不同程度的干擾和破壞，增加了有效數(shù)據(jù)提取的難度[8]。

圖4 濾波前后典型沖擊波波形圖Fig.4 Typical waveform before and after filter

沖擊波信號(hào)是一種典型的的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，能量分布比較均勻，有用信號(hào)和噪聲的頻譜存在嚴(yán)重的交疊，采用自適應(yīng)濾波器可以較好地對(duì)高頻噪聲信號(hào)進(jìn)行處理[9-10]。綜合考慮運(yùn)算速度和保留數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)因素，濾波器收斂因子μ=0.000 1、階長(zhǎng)50時(shí)濾波后的波形見(jiàn)圖4b)。

4 數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證

毀傷過(guò)程中，傳感器可能會(huì)受到?jīng)_擊、高溫等因素而損壞或受反射波干擾等影響，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不可用。為達(dá)到測(cè)量數(shù)據(jù)的快速質(zhì)檢目的，需建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)準(zhǔn)則，自動(dòng)給出測(cè)量數(shù)據(jù)的批次檢查結(jié)果，以剔除明顯無(wú)效數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同的爆炸方式，利用爆炸當(dāng)量設(shè)計(jì)值，選擇合適的沖擊波超壓經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)估沖擊波超壓值P0[11]。

(1) 普通土壤地面

(4)

r=Sqrt((X-X0)(X-X0)+
(Y-Y0)(Y-Y0)),

(2) 無(wú)限空氣介質(zhì)(球形藥)

(5)

(3)剛性地面(球形藥)

(6)

以如下準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證：

在預(yù)估沖擊波到達(dá)時(shí)間ti±0.05s范圍內(nèi)順序搜索，以某時(shí)間點(diǎn)前后1×10-4s時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行比較，若均值差在[0.5P0,5P0]范圍內(nèi)(P0為沖擊波超壓預(yù)估值)，則初步判定搜索到階躍上升的有效沖擊波峰值，并據(jù)此判讀波形起跳點(diǎn)t，作為沖擊波到達(dá)傳感器的時(shí)間。否則認(rèn)為該傳感器數(shù)據(jù)無(wú)效，予以剔除。

5 沖擊波超壓提取

沖擊波到達(dá)傳感器前后的局部波形放大圖見(jiàn)圖5。沖擊波超壓(峰值和零位之差)的提取有指數(shù)擬合和直接提取2種方法[12-13]。

圖5 沖擊波局部波形放大圖Fig.5 Locally amplified waveform

指數(shù)擬合法是指截取沖擊波波峰過(guò)后的適當(dāng)數(shù)據(jù)段進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合曲線在沖擊波到達(dá)時(shí)刻的值即為沖擊波超壓峰值。由于不同傳感器測(cè)量得到的沖擊波波形曲線差異性較大，數(shù)據(jù)段的選擇難以制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同長(zhǎng)度數(shù)據(jù)擬合結(jié)果差別較大，國(guó)內(nèi)各研究單位在工程實(shí)際應(yīng)用中均未采用該方法。

直接提取法是指直接從波形上判讀沖擊波零位、峰值及對(duì)應(yīng)的時(shí)間[14-15]，國(guó)內(nèi)各研究單位均按照自己積累的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判讀，沒(méi)有統(tǒng)一的判讀準(zhǔn)則，判讀結(jié)果也存在一定的偏差。主要有如下觀點(diǎn)：

(1) 研究機(jī)構(gòu)A認(rèn)為，由于沖擊波測(cè)量傳感器存在零位漂移，且漂移量隨時(shí)間逐漸增大，所以采用沖擊波到達(dá)時(shí)波形的起跳點(diǎn)為零位較為合理，沖擊波波形在峰值附近存在振蕩，難以判斷沖擊波峰值的真實(shí)值，因此以沖擊波到達(dá)后的第1個(gè)振蕩中心為沖擊波峰值。

(2) 沖擊波測(cè)量傳感器生產(chǎn)公司B認(rèn)為，以波形起跳點(diǎn)作為零位并不合適，因?yàn)樵跊_擊波到達(dá)前波形通常有一個(gè)明顯的下降過(guò)程，原因可能是由于傳感器受到某種干擾造成的。該公司采用在沖擊波到達(dá)前一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為傳感器零位，沖擊波峰值位置雖然存在一定的振蕩，但其最大值在一定程度上反應(yīng)了沖擊波超壓的最大值，因此取波形上升沿的最高點(diǎn)作為沖擊波峰值。

(3) 研究機(jī)構(gòu)C則采用在沖擊波到達(dá)前一段時(shí)間的概略平均值作為沖擊波的零位，取波形最高點(diǎn)作為沖擊波峰值。

綜合國(guó)內(nèi)各研究成果，沖擊波到達(dá)傳感器前后，波形存在振蕩，原因可能是由于爆炸引起的地震波或其他干擾造成的，為盡量消除干擾誤差，采用波形起跳點(diǎn)前后一定數(shù)據(jù)段的平均值作為沖擊波零位及峰值。

毀傷試驗(yàn)中，沖擊波數(shù)據(jù)采樣頻率為1 MHz，沖擊波到達(dá)傳感器時(shí)刻t到波峰的間隔時(shí)間約10-5s，以[t-2×10-5,t]時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)均值作為零位，以[t+1×10-5,t+3×10-5]時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)均值作為沖擊波峰值，峰值與零位之差即為沖擊波超壓對(duì)應(yīng)的電壓值，電壓值除以該傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度即得到?jīng)_擊波超壓。

經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)估沖擊波超壓值并非實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但其結(jié)果不受測(cè)量系統(tǒng)及判讀方法影響，因此以經(jīng)驗(yàn)預(yù)估值為基準(zhǔn)，對(duì)不同的判讀結(jié)果進(jìn)行誤差分析，可以初步反映不同方法判讀結(jié)果的差異性。

隨機(jī)抽取10個(gè)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，誤差分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中看出，不同方法判讀結(jié)果的平均誤差比較接近，但本文采用的方法樣本方差更小，誤差分布更為均勻。

表1 不同方法沖擊波超壓判讀結(jié)果誤差分析Table 1 Error analysis of different interpretation methods for shock wave overpressure

6 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)沖擊波超壓測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，基于沖擊波傳播的區(qū)域關(guān)聯(lián)性原理，構(gòu)建了完善的數(shù)學(xué)模型，規(guī)范了各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法和準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了沖擊波超壓測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，提高了數(shù)據(jù)處理效率和精度，并在工程實(shí)際中得到了大量應(yīng)用。