基于復(fù)合濾波的座艙顯示阻尼處理技術(shù)研究

江忠英

（海裝駐武漢地區(qū)軍事代表局駐南昌地區(qū)軍事代表室 江西省南昌市 330000）

1 引言

隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，座艙顯示系統(tǒng)已逐步由繁瑣的機(jī)械儀表轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軘?shù)字顯示，實現(xiàn)高度綜合化、智能化。利用SMART 顯示器(MFD)對全機(jī)各種信息進(jìn)行綜合顯示，給飛行員提供一種大視野，更詳細(xì)的參數(shù)顯示，同時對參數(shù)進(jìn)行整合，將最終結(jié)果更直觀的顯示在MFD 上，減少飛行員的工作負(fù)擔(dān)，提高人機(jī)功效。

目前，各型直升機(jī)的MFD 采用實時顯示方式，對航電設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)字信號按實際內(nèi)容直接顯示。但在實際飛行中，飛行員發(fā)現(xiàn)某些參數(shù)會來回抖動，例如指示空速、氣壓高度、儀表著陸系統(tǒng)等大氣參數(shù)和組合接收設(shè)備參數(shù)，有時候電臺發(fā)射時，油量值會產(chǎn)生瞬間脈沖跳變，容易給飛行員帶來困擾和誤操作。

鑒于此，本文提出一種基于復(fù)合濾波的阻尼處理技術(shù)，利用飛參采集的飛機(jī)真實值進(jìn)行大量仿真和測試，并將該技術(shù)應(yīng)用到直升機(jī)上。

2 濾波原理

在直升機(jī)座艙顯示中，數(shù)字濾波是一個計算過程，對航電設(shè)備傳輸?shù)南⑦M(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，使參數(shù)顯示具有阻尼效果，無需硬件，只要適當(dāng)改變?yōu)V波程序有關(guān)參數(shù)，就能方便改變?yōu)V波特性，能適應(yīng)具有不同特性的飛行參數(shù)。因此可靠性高，不存在阻抗匹配、特性波動、非一致性等問題。

2.1 限幅濾波法和一階滯后濾波法

限幅濾波法又稱程序判別法，通過程序判斷被測信號的變化幅度，從而消除緩變信號中的尖脈沖干擾。具體方法是，依賴已有的時域采樣結(jié)果，將本次采樣值與上次采樣值進(jìn)行比較，若它們的差值超出允許范圍，則認(rèn)為本次采樣值受到了干擾，應(yīng)予剔除，設(shè)yn為第n 次采樣值，

為第n 次濾波值，采樣值和濾波值的差值如下：

在式（1）中，我們?nèi)〔钪档慕^對值作為本次采樣值的變化量，我們規(guī)定相鄰兩個采樣值最大允許增量為，如果本次值與上次值之差大于，則認(rèn)為本次值無效，放棄本次值，用上次值代替，如果差值小于等于，則取本次值，公式如下：

限幅濾波法的優(yōu)點是能有效克服因直升機(jī)偶然因素引起的脈沖干擾，如電臺發(fā)射時導(dǎo)致的油量值瞬間跳變，該方法適合于變化比較緩慢的被測量，但無法抑制那種周期性的干擾，平滑度差。

一階滯后濾波法是用軟件的方法實現(xiàn)硬件的RC 濾波，以抑制干擾信號。用此種方法處理低頻干擾時，首先遇到的問題是要求濾波器有大的時間常數(shù)(RC)和高精度的RC 網(wǎng)絡(luò)。時間常數(shù)越大，其漏電流也必然增大，從而使RC 網(wǎng)絡(luò)精度下降。采用一階滯后的數(shù)字濾波法，能很好克服這種模擬量濾波器的缺點，同樣假設(shè)yn為第n 次采樣值，為第n 次濾波值，得到一階滯后濾波法如下：

在式（4）中，T 為采樣周期，Tf為濾波周期。

一階滯后濾波法的優(yōu)點是能對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻率較高的場合，但相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率1/2 的干擾信號。

2.2 復(fù)合濾波法

直升機(jī)座艙顯示系統(tǒng)是一個多元復(fù)雜系統(tǒng)，如圖1所示，在戰(zhàn)場中常與其它飛行器、衛(wèi)星聯(lián)合作戰(zhàn)，負(fù)責(zé)全機(jī)各種信息的綜合顯示。為實現(xiàn)參數(shù)顯示阻尼效果，既要消除大幅度的脈沖干擾，又要求數(shù)據(jù)平滑，將以上兩種濾波方法組合起來，形成復(fù)合數(shù)字濾波器。

圖1：單個顯示畫面（示例）

設(shè)yn為第n 次采樣值（輸入值），為第n 次濾波值（輸出顯示值），為第n-1 次濾波值，k 為周期比系數(shù)，與采樣周期T 有關(guān)，Tf為濾波周期，相鄰兩個采樣值的最大允許增量計算如下：

在式（5）中，最大允許增量Maxoffset 是Tf的增函數(shù)。

設(shè)d 為采樣值與濾波值的差值，計算如下：

利用該差值可以得到第n 次濾波值為：

該復(fù)合濾波法在判定差值|d|小于等于Maxoffset 時，濾波值取當(dāng)前采樣值；反之，濾波值為當(dāng)前采樣值減去自然指數(shù)e 的指數(shù)次方與差值的乘積，兼具限幅濾波法和一階滯后濾波法的優(yōu)點，既能抑制飛行參數(shù)大幅度的脈沖干擾，又使數(shù)據(jù)顯示更平滑，消除抖動，實現(xiàn)阻尼效果。

由于復(fù)合濾波法的周期比系數(shù)k、濾波周期Tf和數(shù)據(jù)最大值可調(diào)，因此在編程計算時，只需對參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)軟件修改，就能適應(yīng)不同類型的參數(shù)濾波，實用性更強(qiáng)。

3 實驗分析

為模擬直升機(jī)真實環(huán)境濾波效果，實驗中的數(shù)據(jù)源采用飛行參數(shù)采集器(飛參)記錄的直升機(jī)飛行數(shù)據(jù)，選取3 組參數(shù)進(jìn)行復(fù)合濾波分析，分別為：指示空速、絕對氣壓高度、無線電羅盤方位角。

3.1 數(shù)據(jù)濾波處理

飛行參數(shù)采集器記錄的數(shù)據(jù)為data_source.LST 文件，如圖2所示。從圖中可以看出，飛行參數(shù)采集器的采集時間為09:52:16:028 ～11:51:57:594，指示空速和絕對氣壓高度采集時間間隔為31ms，無線電羅盤方位角采集時間間隔為100ms。

圖2：飛行參數(shù)采集器數(shù)據(jù)源

復(fù)合濾波算法設(shè)計中，inputValue 為真實輸入值，k 為周期比系數(shù)，Tf為濾波周期，old_FilterValue 為上一次濾波輸出值，max_value 為數(shù)據(jù)最大值。通過軟件可以將指示空速、絕對氣壓高度、無線電羅盤方位角提取出來，并按照每個參數(shù)的特性做濾波處理。

3.2 濾波周期選擇

為確定直升機(jī)綜合顯示控制系統(tǒng)中的Tf值，實驗選取同一組數(shù)據(jù)（周期比系數(shù)k 固定），用4 個不同濾波周期Tf對比分析，如圖3所示。

圖3：濾波周期對比

從圖3 可以看出，濾波周期Tf越大，輸出越失真、相位更滯后，達(dá)不到預(yù)期效果，當(dāng)Tf為0.25 時，既能抑制參數(shù)瞬間跳變，又能使濾波輸出趨于平滑；與此同時，當(dāng)前直升機(jī)作戰(zhàn)飛行軟件的任務(wù)周期為50 毫秒，在0.25 秒(5 個任務(wù)周期)內(nèi)MFD 足以響應(yīng)綜合任務(wù)處理機(jī)的數(shù)據(jù)變化。因此，直升機(jī)綜合顯示控制系統(tǒng)的Tf取0.25。

3.3 實施效果

MATLAB 是一款功能非常強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件，本實驗利用MATLAB 對以上原始數(shù)據(jù)及濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形仿真。

指示空速仿真如圖4所示，藍(lán)色虛線為濾波前數(shù)據(jù)，紅色實線為濾波后數(shù)據(jù)，本實驗飛參采集的指示空速數(shù)據(jù)共231394 組。子圖1 為所有數(shù)據(jù)濾波前后對比，子圖2 為截取時間7500 ～8200(單位:31 毫秒)放大顯示，子圖3 為截取時間9220 ～9400(單位:31毫秒)放大顯示。從中可以看出，該阻尼處理技術(shù)跟隨性很好，能準(zhǔn)確反映整個飛行過程中的指示空速實際狀態(tài)，有效濾除時間7689、7712、7940 處的尖峰脈沖，對時間7558、7714、7741、7759、7883、7898、7942、7959、8019、8074、9258、9266 處 數(shù)據(jù)階躍跳變起到很好的緩沖作用，使數(shù)據(jù)顯示更平滑，實現(xiàn)阻尼效果。

圖4：指示空速仿真

絕對氣壓高度仿真如圖5所示，飛參采集的數(shù)據(jù)共231394組。子圖1 為所有數(shù)據(jù)濾波前后對比，子圖2 為截取時間7400 ～9000( 單位:31 毫秒) 放大顯示，子圖3 為截取時間85500 ～86000(單位:31 毫秒)放大顯示。從中可以看出，該阻尼處理技術(shù)對絕對氣壓高度跟隨性很好，不存大的階躍跳變數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)來回抖動起到顯著濾波效果，使數(shù)據(jù)顯示更趨于平滑。

圖5：絕對氣壓高度仿真

無線電羅盤方位角仿真如圖6所示，飛參采集的數(shù)據(jù)共10188 組。子圖1 為所有數(shù)據(jù)濾波前后對比，子圖2 為截取時間7500 ～8200(單位:100 毫秒)放大顯示，子圖3 為截取時間2200 ～3000(單位:100 毫秒)放大顯示。從中可以看出，該阻尼處理技術(shù)對無線電羅盤數(shù)據(jù)跟隨性很好，不存在相位滯后現(xiàn)象，對于數(shù)據(jù)跳變起到緩沖作用，能準(zhǔn)確濾除尖峰脈沖。

圖6：無線電羅盤方位角仿真

4 結(jié)束語

文章在限幅濾波法和一階滯后濾波法基礎(chǔ)上，提出基于復(fù)合濾波的阻尼處理技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用到直升機(jī)座艙顯示系統(tǒng)中。通過飛行參數(shù)采集器采集的飛機(jī)真實值做大量實驗仿真驗證，實驗結(jié)果表明：該技術(shù)安全可靠，無需硬件、不存在阻抗匹配，對數(shù)據(jù)波動、抖動起到明顯抑制作用，能有效濾除尖峰脈沖，對階躍跳變起到緩沖作用，最終使數(shù)據(jù)顯示趨于平滑，實現(xiàn)阻尼效果。

目前該處理技術(shù)已應(yīng)用到直升機(jī)上，機(jī)上試飛結(jié)果表明：該處理技術(shù)效果明顯，不存在參數(shù)瞬間跳變、來回抖動現(xiàn)象，給飛行員帶來更好的飛行體驗。隨著航空電子系統(tǒng)的高速發(fā)展，相信該處理技術(shù)會得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。