膛口沖擊波超壓測試及數據分析

劉紅 邢永禎 夏華

摘要：武器系統毀傷效能評估的主要方法之一是通過沖擊波超壓測試系統對沖擊波信號進行采集，然后對采集的數據進行處理和分析，評估性能的好壞取決于信號處理方法是否合適。本文針對沖擊波信號頻帶寬、易突變、持續時間短的特點，采用了基于小波的多分辨分析方法對膛口沖擊波信號進行去噪，不僅有效地濾除了信號中的雜質信號，而且減少了延時。然后讀取各傳感器去噪信號的超壓峰值，并根據其不同的擺放位置，利用插值的方法對沖擊波壓力場進行建模。最后對沖擊波場模型進行了誤差分析。

關鍵詞：沖擊波測試；小波分析；插值

中圖分類號：TJ3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

膛口沖擊波是在火炮發射時，彈丸飛出后高溫高壓的火藥燃氣在膛口急劇膨脹而形成的，它對周圍的設施、裝備及人員都可能構成嚴重危害，為此，各國軍方都制定了相應的安全防護標準，而沖擊波的超壓峰值就是一個重要的基本參數，是評估武器毀傷性能的重要指標之一。沖擊波信號具有頻域寬、突變快、不穩定的特點，致使經典的傅里葉變換無法從信號的頻譜中確定沖擊波信號在時域上某些瞬間的突變，即無法反映信號的時間特性[1]。而小波變換在時域和頻域都有良好的局部特征，可以聚焦到信號的任意細節，為瞬態信號的后續分析提供了方便[2] ，因此本文選擇了基于小波變換的信號處理方法對沖擊波超壓測試系統采集到的數據進行處理分析，根據處理后的數據得到每個傳感器的超壓峰值，并根據傳感器的布置位置利用插值的方法對沖擊波場進行了描述，從而給出沖擊波場的變化規律以及沖擊波信號的傳播規律[3]。

1沖擊波測試系統組成

圖1測試系統組成框圖

本測試系統由兩部分組成，硬件系統主要包括傳感器部分、信號調理部分以及數據采集部分；軟件部分的功能主要由NI公司的LabVIEW軟件來實現。傳感器通過感受外部沖擊波的壓力，將壓力信號轉變為電壓信號，經調理電路的濾波放大，存儲于數據采集卡中，再經A/D轉換轉變為數字信號，上位機通過程序編寫讀取數據采集卡中的數據。圖1是測試系統的總體框圖[4]。

2數據處理與仿真分析

小波分析

在膛口沖擊波超壓測試中，由于外界環境的干擾或火炮發射時造成的測試儀器的振動等原因，采集到的沖擊波信號不可避免的會疊加各種噪聲，圖2是某型號火炮發射時的膛口沖擊波超壓信號波形圖，信號中夾雜有許多雜波信號。為了提取出有效的膛口沖擊波信號，需要對信號進行預處理，濾除信號中的雜質信號，保留有用信號。本文采用了巴特沃斯濾波器和小波濾波來對沖擊波信號進行了預處理，并分別給出了采用兩種不同的濾波器去噪的沖擊波波形圖。

圖2原始數據波形圖 圖3小波去噪后的沖擊波波形圖

由圖3可知，利用小波分析對沖擊波信號進行去噪，處理后的信號與原信號的吻合度特別高，幾乎沒有延時現象，不但有效的濾除了信號中的雜質信號，而且保留了信號的突變信息，為后續準確計算沖擊波可持續時間、超壓峰值、以及沖擊波壓力場分析等的精確性提供了保證。通過上述對比表明小波去噪更適用于對膛口沖擊波信號這種非穩態信號的去噪[5]。

3誤差分析

本文采用插值的方法對傳感器測試的沖擊波場進行分析，因此在布設的每個傳感器對應的位置上，數據均與傳感器的數據相同，不存在誤差。為了評估建立模型的好壞，我們假定為數不多的傳感器中有一個在測試現場損壞，不能為這個沖擊波場建模提供數據，于是采用如下方法來對傳感器測試的沖擊波場進行建模：即去掉一個傳感器的值，用周圍傳感器插值得到的值來估計去掉傳感器的實測值，用估計的值與實測值比較，并計算其誤差，最后比較測點的位置對誤差的影響。

操作步驟：任意設一個傳感器有問題，則程序不再讀入該傳感器數據，并根據其他的傳感器數據對沖擊波場進行建模，并將建模后的數據與傳感器實測的數據進行比對，并按公式（5）方法進行誤差計算：

（1）

式中：為沖擊波壓力場模型的相對誤差，L為插值得到的沖擊波在該位置的估計值，R為該位置傳感器的實測值。

計算插值得到的值與實測值之間的相對誤差的絕對值。絕對值越大說明誤差越大，絕對值越小說明誤差越小。

采用V4插值方法，比較去掉不同位置傳感器的誤差，表1列出了其中4次實驗的數據，即去掉相應位置傳感器數值后實測點與預測點之間的相對誤差。

從表1中可以看到當去掉的傳感器處于邊界位置時，即表中的1號、8號，估算值與實測值計算出來的誤差比較大；而當去掉中間位置的傳感器，比如3號和10號時，計算出來的誤差會相對較小，估計值更接近實測值。數據分析表明該模型對中間位置的測點進行估算相對更準確，在實際測試中，若中間位置某傳感發生故障，可以利用本方法對故障點進行估計。

4結論

針對沖擊波信號的特點，通過與傳統數字濾波方法相比較，采用了基于小波分析的信號分析方法對傳感器采集到的非穩態沖擊波信號進行了去噪處理；并對沖擊波信號的主要特征參數超壓峰值進行了計算，最后利用V4樣條插值方法，建立了沖擊波壓力場的模型，直觀的表現了膛口沖擊波的傳播規律；最后通過誤差分析，估算了不同位置傳感器失效時的模型估算誤差。

參考文獻

[1]張衍芳，杜紅棉，祖靜.沖擊波信號后期處理方法研究[J].工程與試驗，2010，50（4）：15-18.

[2]徐博堯，楊剛，李欣欣.小波變換的時頻分析及其在實際中的應用[J].中國傳媒大學學報：自然科學版，2011，18（2）：79-83.

[3]李超.殺傷導彈戰斗部靜爆威力試驗方法，第三部分，沖擊波超壓測試[S].

[4] 賴富文，王文廉，張志杰.大當量戰斗部爆炸沖擊波測試系統設計及應用[J].彈箭與制導學報，2009，29（3） ：133-135.

[5] 韋力強.基于小波變換的信號去噪研究.[D].長沙：湖南大學.2007