數(shù)據(jù)處理中的誤差消除方法研究*

喬　軼

(91550部隊　大連　116023)

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數(shù)據(jù)處理中的誤差消除方法研究*

喬軼

(91550部隊大連116023)

摘要海上飛行試驗中,飛行器的命中精度是依靠脫靶量測量系統(tǒng)實現(xiàn)的。而在數(shù)據(jù)處理中,測量數(shù)據(jù)中野值的存在嚴重影響了數(shù)據(jù)處理精度。產(chǎn)生野值主要是由于隨機誤差和誤觸發(fā)兩方面原因引起。目前可以通過以下兩種方法進行剔除:一方面利用野值和多普勒頻率在小波域上系數(shù)不同的特點,通過小波變換剔除脫靶量數(shù)據(jù)中的野值,另一方面采用系統(tǒng)修改門限的方法去除因誤觸發(fā)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中的野值。通過實驗結(jié)果證明兩種方法都能有效去除野值,提高了數(shù)據(jù)的處理精度。

關(guān)鍵詞脫靶量測量; 多普勒頻率; 試驗

Class NumberE992.1; P207+.1

1引言

在實際測量中,即使目標運動狀態(tài)理想,設(shè)備工作狀態(tài)正常,原始的測量數(shù)據(jù)質(zhì)量非常高,仍存在部分隨機誤差,這些都導(dǎo)致測量的回波數(shù)據(jù)中必然存在野值,如果不剔除野值,將嚴重影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,不能保障設(shè)備在試驗中的高精度快速數(shù)據(jù)處理[1]。為此,本文在系統(tǒng)闡述目前靶場常用的脫靶量測量技術(shù)方法的同時,分析了其在測量中形成野值的原因,并對產(chǎn)生原因給出了相應(yīng)的剔除方法,極大地提高了數(shù)據(jù)處理的精度。

2某系統(tǒng)工作流程簡介及其測量技術(shù)方法實現(xiàn)

以下就脫靶量測量系統(tǒng)為例進行具體說明。該系統(tǒng)分為靶區(qū)設(shè)備和地面站[2]。系統(tǒng)工作時,靶區(qū)測量雷達分系統(tǒng)發(fā)射電磁波并接收飛行器回波信號[3],實時采集、檢測目標并存儲試驗節(jié)點的飛行器回波數(shù)據(jù)。

2.1脫靶量測量系統(tǒng)工作流程簡介

系統(tǒng)獲取試驗節(jié)點交會過程中的多路回波數(shù)據(jù)后,通過光纖傳輸模塊傳送到地面站進行實時處理并存儲,硬件框圖如圖1所示。系統(tǒng)又分為中頻采樣數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(上位機)和實時信號處理和數(shù)據(jù)存儲模塊(下位機)兩部分。試驗結(jié)束后,試驗人員將下位機采集存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)。

圖1　脫靶量測量系統(tǒng)組成圖

2.2脫靶量測量技術(shù)方法

脫靶量測量在新武器裝備試驗鑒定和部隊訓(xùn)練中具有重要的地位和作用,研究不同體制的脫靶量測量系統(tǒng)是適應(yīng)現(xiàn)代作戰(zhàn)需求所提出的應(yīng)對措施。當(dāng)前脫靶量測量主要有以下幾種測量技術(shù):光學(xué)脫靶量測量技術(shù)、聲學(xué)脫靶量測量技術(shù)、遙外測脫靶量測量技術(shù)、雷達脫靶量測量技術(shù)。光學(xué)測量受外界條件限制較大,但精度相對較高;遙外測僅適用于彈、靶上裝有GPS設(shè)備的情況,有較好的性能價格比;而雷達測量雖然不像聲學(xué)和光學(xué)測量受速度、氣象條件的限制,但測量精度受其測角及站址間坐標換算精度的影響,距離較遠時,給出的測量命中精度誤差較大,通用雷達不適用于裝備試驗鑒定,但可為試驗訓(xùn)練提供命中的判據(jù)[4],另外,不考慮精度要求,在試驗、訓(xùn)練中采用攝錄像手段,是解決目標擊中率測量的有效途徑。

目前,專用矢量脫靶量設(shè)備主要是雷達體制。雷達脫靶量測量技術(shù)利用雷達多普勒測量原理[5],已知回波信號的多普勒頻移fd正比于徑向速度vr而反比于雷達工作波長λ,即

(1)

圖2　飛行器與目標幾何關(guān)系圖

運動目標的多普勒頻率fd相對雷達的位置將按一定的規(guī)律變化。采用差拍的方法,從接收信號中提取雷達發(fā)射頻率f0和目標回波信號頻率fr,即可求得差值fd。飛行器與目標幾何關(guān)系如圖2所示。目標在O點,飛行器在A點以速度V運動。在O點作V的平行線,即得X軸。在O點作V的垂直線,與V延長線交于B點,OB延長線為Y軸。OB即為所需測量的脫靶量值。在O點目標上安放一部測量多普勒頻率的雷達,假設(shè)天線是無方向性的,則對A點飛行器多普勒頻移fd為

(2)

式中,α為OA與V的夾角。設(shè)A點在X軸上的坐標為x,在Y軸上的坐標為y則

(3)

(4)

圖3　不同y時的相對關(guān)系曲線

3數(shù)據(jù)野值形成原因及消除方法

在實際試驗過程中,受飛行器速度、氣象條件以及空中飄散的雜質(zhì)影響以及測角及站址間坐標換算精度的影響,測量命中精度誤差是不可避免的[6～7]。因此及時發(fā)現(xiàn)修正脫靶量數(shù)據(jù)中的野值,提高試驗準確率是必要的。

3.1數(shù)據(jù)野值形成原因

高精度脫靶量測量雷達工作于固定平臺或相對靜止的運動平臺,天線采用定向多路天線,目標只有進入探測區(qū)域后才進行有效數(shù)據(jù)的存儲。其野值的形成主要有以下幾種原因。

1) 測量的大部分飛行器目標都具有復(fù)雜的幾何形狀。當(dāng)目標的運動方式發(fā)生變化,它的等效發(fā)射面積發(fā)生變化。目標的起伏頻率展寬,產(chǎn)生振幅起伏,尤其當(dāng)運動目標與固定點接近時,回波信噪比強,且在不斷變化,目標也由遠處的點目標變成復(fù)雜的形狀,最強的等效反射中心也在不斷發(fā)生變化并可能形成近場目標多反射中心,導(dǎo)致多普勒頻率在擊中目標前產(chǎn)生野值。

2) 在雷達跟蹤目標時,雷達發(fā)射波除了直接照射到目標外,還能通過反射的途徑到達目標。在一般情況下,兩電磁波到達目標的相位和振幅不同,在目標上產(chǎn)生的總電場強度是兩者的矢量疊加。在實際應(yīng)用中,四條路徑的多重反射信號構(gòu)成了雷達接收回波,引起多普勒異常變化。

3) 接收機的內(nèi)部噪聲、海浪噪聲、天線熱噪聲、有意無意的人為施放的干擾和鄰近雷達的發(fā)射電波的干擾外部噪聲及I、Q通道失調(diào)等引起的測量數(shù)據(jù)野值。

4) 多路天線接收數(shù)據(jù)的頻域非相參積累,回波數(shù)據(jù)的非線性濾波器濾除遙測誤碼產(chǎn)生的野值以及數(shù)據(jù)加窗、ESPRIT法進行的多普勒頻上超分辨算法等造成多普勒數(shù)據(jù)中存在野值。

5) 目前,為貼近實戰(zhàn)能力,試驗中使用箔條彈干擾模式。然而箔條彈在空中爆炸的瞬間,脫靶量設(shè)備可能因箔條彈碎片誤觸發(fā)而無法獲取存儲脫靶量數(shù)據(jù),或是當(dāng)箔條彈漂浮在脫靶量設(shè)備和飛行器之間時,脫靶量設(shè)備可能因箔條彈遮擋無法獲取并存儲脫靶量數(shù)據(jù),產(chǎn)生野值[8]。

3.2剔除野數(shù)據(jù)方法

對于前四種原因產(chǎn)生的野值,在數(shù)據(jù)處理中,采用閾值處理的小波域去噪的基本思想[9]。對于含有野值的多普勒頻率估計結(jié)果,根據(jù)野值在不同尺度的小波譜分量確定,首先利用小波譜的重構(gòu)或還原的方法,然后再利用小波變換重構(gòu)算法[10]。

(5)

由式(5)可知,利用軟閾值法去噪聲和野值的關(guān)鍵是確定閾值λ,實際采集數(shù)據(jù)的噪聲與野值是隨機的,不可能知道,需進行估計。為此,經(jīng)分析比較,本文采取的方法如下。

1) 選擇一個小波基,并確定尺度,然后進行小波分解。

2) 將選取的小波基分成M個大小相同的數(shù)據(jù)段,并對每一尺度選取適當(dāng)?shù)拈撝?。首先根?jù)heursure準則或Minimax準則估計各尺度的閾值采用動態(tài)規(guī)劃的方法自動檢測系數(shù)的劇烈變化,對各尺度系數(shù)進行分段,然后再根據(jù)分段后的結(jié)果,對不同的區(qū)域設(shè)定不同的閾值去除野值。

3) 將每段數(shù)據(jù)對應(yīng)各尺度上經(jīng)小波變換后的數(shù)據(jù)減去對應(yīng)的閾值。通過小波逆變換,利用原信號尺度的近似和修改過的各尺度的細節(jié)重建原信號,即可得到去除野值后的信號。

對于因箔條彈誤觸發(fā)引起的錯誤數(shù)據(jù),可以采用系統(tǒng)修改檢測門限的方法。具體操作流程:

1) 測量設(shè)備在試驗完進行結(jié)構(gòu)拆解;

2) 將信號檢測與處理板中的DSP軟件中的門限相關(guān)部分進行改寫,目的是避開箔條彈爆炸瞬間的速度;

3) 對測量設(shè)備結(jié)構(gòu)上重新組合;

4) 進行飛行器試驗,對全系統(tǒng)進行功能檢測。

逐年統(tǒng)計不良反應(yīng)累及的器官系統(tǒng)，不良反應(yīng)主要累及胃腸損害、皮膚及其附件損害和神經(jīng)系統(tǒng)損害?？偫闻琶?0位的器官系統(tǒng)及不良反應(yīng)的例次見表2。

4結(jié)語

通過試驗證明在不同情況下采用多分辨分解、小波軟閾值去野值方法以及在因箔條彈干擾情況下選用系統(tǒng)修改門限的方法,對去除野值有良好的效果。前者合理選擇不同數(shù)據(jù)段的閾值,利用小波軟閾值去噪方法,可以有效地實現(xiàn)去除多普勒頻率估計野值,后者將信號檢測與處理板中的DSP軟件中的門限相關(guān)部分進行改寫,可以有效避開箔條彈爆炸瞬間的速度引起的誤觸發(fā),二者是十分有效可靠的去除野值的方法。

參 考 文 獻

[1] 陳美鑾,狄紅衛(wèi),丘錦宏.基于USB接口和光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006(1):32-34.

CHEN Meiluan, DI Hongwei, QIU Jinhong. Data Acquisition System Based on USB Interface and Optical Fiber Transmission System[J]. Instrument Technique and Sensor,2006(1):32-34.

[2] Donoho D L.De-Noising by Soft-Thresholding [J].IEEE Trans.Inf.Theory,1995,41(3):613-627

[3] 趙文策,周海銀,等.基于測角元和高程信息融合的導(dǎo)彈定位求速[J].彈道學(xué)報,2004,16(2):27-32

ZHAO Wence, ZHOU Haiyin, at el. Trajectory Position and Velocity Determination Based on Angle Measurement and Height Information Fusion[J]. Journal of Ballistics,2004,16(2):27-32.

[4] 朱炬波.不完全彈道測量的數(shù)據(jù)融合技術(shù)[J].科學(xué)通報,2000,45(20):2236-2240.

ZHU Jubo. Data Fusion Technology on Incomplete Trajectory Measurement[J]. Chinese Science Bulletion,2000,45(20):2236-2240.

[5] 張煥國,羅捷.可信計算機技術(shù)與應(yīng)用綜述[J].計算機安全,2006(6):8-12.

ZHANG Huanguo, LUO Jie. Trusted Computing Technology and Applications[J]. Computer Security,2006(6):8-12.

[6] 房秉毅,王劍.基于距離跟蹤的矢量脫靶量測量方法[J].彈道學(xué)報,2007,19(2):29-32,50.

FANG Bingyi, WANG Jian. Vector miss distance measurement based on range-only tracking[J]. Journal of Ballistics,2007,19(2):29-32,50.

[7] Taek L S. Observability of Target Tracking with Range-only Measurements[J]. Oceanic Engineering IEEE,1999,24(3)383-387.

[8] 劉強,劉以安.箔條云回波的一種建模與仿真方法[J].現(xiàn)代雷達,2006,8(8):91-94.

LIU Qiang, LIU Yian. A Moeling and Simulation Method of Chaff Cloud Echo[J]. Modern Rada,2006,8(8):91-94.

[9] 吳嗣亮.矢量脫靶量測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法研究與實踐[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,1998,(10):46-47.

WU Sliang. Research and Practice on Data Processing Method of Measuring System for Miss D istance Vector[J]. Journal of Beijing Institute of T echnology,1998,(10):46-47.

[10] 胡昌華.基于Matlab的系統(tǒng)分析與設(shè)計-小波分析[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999:210-225.

HU Changhua. Analysis of System Analysis and Design Based on Matlab Wavelet[M]. Xi’an: Xi’an Electronic and Science University Press,1999:210-225.

Error Elimination Method in Data Processing

QIAO Yi

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian116023)

AbstractIn the test on the sea, the aircraft’s hitting accuracy is achieved by the system of the miss distance measure. In data processing, the presence of outliers seriously affects the accuracy of the data processing. The main reasons of producing the two mistakes are random error and false triggering. In this paper, two aspects are used to remove by the following method. On the one hand, based on the outliers and doppler frequency which are different in coefficient of wavelet domain, the wavelet transform to suppress outliers in the miss distance data. On the other hand, the method of the modifying the threshold is used to remove the outliers which caused by the false triggering. The results show that the two methods are effectivly in improving the accuracy of data processing.

Key Wordsmiss distance measure, Doppler frequency, test

* 收稿日期:2015年11月12日,修回日期:2015年12月28日

作者簡介:喬軼,女,碩士,工程師,研究方向:軟件設(shè)計。

中圖分類號E992.1; P207+.1

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.018