侵徹引信加速度信號目標特征中干擾疊加程度的評價指標

馬孟新， 李蓉， 牛蘭杰,2

(1.西安機電信息技術研究所， 陜西 西安 710065; 2.機電動態控制重點實驗室， 陜西 西安 710065)

0 引言

侵徹彈藥打擊目標主要覆蓋機庫、地下與半地下指揮所、多層建筑物及艦船等，作用方式主要包括計時、計層及空穴識別起爆等。其中，計層起爆控制方式根據戰斗部侵徹多層目標過程中引信實時感知戰斗部侵徹過載并識別目標特征，控制戰斗部在預定目標層處爆炸，實現對建筑物內高價值目標的高效毀傷。

彈體侵徹硬目標時，所測減加速度信號中疊加了彈體內應力波和環境噪聲，應力波的傳播、疊加及噪聲信號都會導致層特征識別能力下降。目前，侵徹引信中計層起爆控制研究主要集中在加速度信號濾波算法設計上，如低通濾波、小波分解、奇異值分解、時間屏蔽、積分及自相關運算等。

現在多層侵徹加速度信號去粘連濾波算法很多，但針對加速度信號的疊加程度，一直都通過科研人員主觀判斷確定，沒有統一的定量評價標準。

鑒于此，本文提出一種多層加速度信號目標特征中干擾疊加程度的評價指標，即層系數和層間系數，該標準不僅能衡量動態試驗或動力學仿真加速度信號中干擾的疊加程度，還能對濾波算法處理效果進行定量評價。

1 層系數和層間系數定義及計算方法

為保證評價指標的有效性，針對加速度信號層系數及層間系數的計算結果，應與目標特征中干擾疊加程度的主觀評價結果一致。

計算層系數和層間系數的輸入包括：加速度信號的幅值、信號采樣頻率、侵徹層數及每層碰靶時間間隔。

針對每層碰靶時間間隔，需根據侵徹動力學仿真工況或者試驗提供的高速錄像和加速度信號對比得出。

設()為加速度信號()，()為采樣后的結果()，為侵徹層數，為信號的采樣周期(ms)，、、…、為各侵徹層采樣點數，、、…、為各層侵徹加速度信號持續時間，點數和持續時間滿足=·，=1,2,…,，整個信號持續時間=·，為總數據點數。

數據分段：()=()，∈[1,]；(-)=()，∈[+1,+]；…

評價指標層系數，∈[1,]，定義為

(1)

可以算出長度為的序列(，，…，)。同時得到平均層系數：

(2)

評價指標層間系數,+1，∈[1,-1]，定義為

(3)

(3)式中對數據長度除2后如果為小數，作取整處理，可以算出長度為-1的序列(，，…，-1,)。同時得到平均層間系數：

(4)

計算流程如圖1所示。

圖1 指標計算流程Fig.1 Flowchart of index calculation

層系數和層間系數越大，目標特征上疊加的干擾信號越多，但兩組系數側重點不同。層系數反映每一層內信號振蕩程度，該值越大，信號抖動越劇烈；層間系數反映相鄰兩層信號之間的可區分度，該值越小，前一層衰減后和下一層區分度越大。每組系數的平均值，能給出信號整體層特征中干擾的疊加程度，作為信號的總體評價。如果兩個信號特征相同，計算結果應該相近，尤其是同一發戰斗部上，引信中冗余的兩路起爆控制電路測得的加速度信號，計算結果差異應較小。

指標計算的偽代碼如圖2所示，以計算5層仿真數據的層系數和層間系數為例。

2 指標計算與分析

通過理想加速度信號指標計算、侵徹加速度信號指標計算、兩組相同工況加速度信號的指標對比、去粘連算法中評價指標的應用4個例子說明該評價指標的有效性。

2.1 理想加速度信號指標計算

首先用理想信號說明該指標物理意義與主觀評價及頻譜分析的一致性。用三角函數及其加權和表示理想的加速度信號，在構造理想加速度信號時考慮其物理含義，包括過載峰值和侵徹持續時間，為達到對比指標的目的，構造的兩個理想加速度信號峰值及持續時間一致，兩個理想加速度信號數據如圖3所示。圖3(a)為典型的侵徹4層靶板層特征加速度信號，圖3(b)為疊加一定程度 干擾的侵徹4層靶板加速度信號。理想加速度信號1的函數表達式為

圖2 評價指標計算偽代碼

圖3 理想加速度信號Fig.3 Ideal acceleration signal

=-44sin(π×(1∶001∶9))×5 000，

(5)

式中：(1∶001∶9)表示數據取值范圍從1到9，以001為步長。理想加速度信號2的函數表達式為

=(sin(π×(2∶001∶10))+ 2sin(2π×(2∶001∶10))+ 2sin(3π×(2∶001∶10)))×5 000，

(6)

式中：(2∶001∶10)表示數據取值范圍從2到10，以001為步長。

兩組信號4層信號特征明顯，本文所提衡量標準計算結果如表1所示。

通過表1可以看出，層系數和層間系數每一層及平均值均為理想加速度信號2大于理想加速度信號1，證明理想加速度信號1比理想加速度信號2特征明顯，這和主觀定性評價結果一致。

對兩組信號進行譜分析，如圖4所示，理想加速度信號1的主頻是244 Hz，理想加速度信號2的主頻有3個，分別為244 Hz、488 Hz、732 Hz. 理想加速 度信號2比信號1多出了兩個高頻信號，這和上述指標的計算結果一致。

表1 理想加速度信號層系數和層間 系數計算結果Tab.1 Calculated results of ideal layer and inter-layer coefficients

圖4 理想加速度信號的頻譜Fig.4 Frequency spectrum of ideal acceleration signal

2.2 侵徹加速度信號指標計算

用更加貼近實測狀態的數據進一步驗證該指標的有效性。為獲得侵徹過載數據，利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA進行侵徹動力學仿真，仿真工況為1 200 kg質量戰斗部以750 m/s速度侵徹6層標準混凝土靶標，得出兩組仿真數據。仿真加速度信號1及仿真加速度信號2的仿真工況基本一致，區別僅是信號2是將引信作為一個材料均勻的整體取出引信部位加速度信號，而信號1是將引信中電路部件及灌封材料細化后取出傳感器部位感受到的加速度信號，過載選取位置如圖5所示。

圖5 仿真侵徹過載選取位置示意圖Fig.5 Sketch diagram of focus zone selected in simulation

圖6 侵徹6層靶標仿真加速度信號Fig.6 Simulation acceleration signal of six-layer target penetration

仿真結果如圖6所示，圖6中兩個信號層特征中干擾的疊加程度均較高，但可以看出仿真加速度信號1比仿真加速度信號2高頻信號噪聲更加豐富。表2為針對兩組信號層系數和層間系數兩組指標的計算結果，信號1比信號2每層的層系數及層間系數均高出100以上，且平均層系數高出153.44，平均層間系數高出148.29，說明信號1比信號2干擾信號疊加程度嚴重。

通過表2和表1對比得出，兩組數據過載峰值均為20 000左右，但2.1節中疊加干擾較小的理想加速度信號比本節根據實際工況仿真得出的加速度信號層系數和層間系數小很多，這與主觀評價結果完全一致。

對仿真得到的兩組信號進行頻譜分析，如圖7所示，在3 000 Hz以上的高頻部分仿真加速度信號2比加速度信號1低5～7 dB，證明信號2中高頻干擾分量比信號1少，這和上述指標的計算結果一致。

圖7 侵徹6層靶標仿真加速度信號的頻譜Fig.7 Frequency spectrum of simulation acceleration signal of six-layer target penetration

2.3 兩組相同工況加速度信號的指標對比

用工況完全相同的兩個數據說明該評價指標的有效性。

一般高價值侵徹彈藥上會有至少兩路冗余的計層起爆控制電路，這給該指標的驗證提供了便利。圖8為戰斗部侵徹7層標準靶板的實測數據，兩條數據為同一發引信中2路起爆控制電路采集到侵徹加速度信號。由圖8可以看出，2路實測數據由于所在彈體內空間位置的微小差異、電路器件性能的不一致性和噪聲的隨機性，導致信號存在微小差異，但相似度很高，該組數據評價指標計算結果如表3所示。

圖8 侵徹7層靶標實測數據Fig.8 Test acceleration data of six-layer target penetration

從表3中可以看出，每一層的層系數和層間系數存在微小差異。由于兩路起爆控制電路所采集的加速度信號均可以認為是實際工況的真值，所以采用數據偏離中心值的比例來說明數據的相似性。如實測數據1第1層層系數的偏差為(393.4-(393.4+398.9)/2)/(393.4+398.9)/2)× 100%=-0.58%. 同理計算所有層系數和層間數據的偏差。

表2 侵徹6層靶標仿真數據計算結果Tab.2 Calculated results of six-layer target penetration simulation data

采用上述計算方法得出實測數據1和實測數據2偏差的絕對值是相同的，僅存在正負差異，所以用同一數值表示兩組數據的差異，一般認為差值在5%以內，干擾信號疊加程度一致。

表3 侵徹7層靶標實測數據計算結果Tab.3 Calculated results of seven-layer target penetration test data

計算結果匯總如表4所示，本組數據的層系數偏差在0.11%～3.93%之間，層系數平均為1.72%；層間系數偏差在0.21%～4.29%之間，層間系數平均為2.52%，均小于5%。計算結果和主觀評價效果一致，證明了評價指標的有效性。

表4 侵徹7層靶標數據偏差程度計算結果Tab.4 Deviation calculation results of six-layer target penetration test data

對兩組信號進行頻譜分析，如圖9所示，兩個信號均在1 556 Hz、3 143 Hz、4 822 Hz、6 256 Hz存在4個主頻，且幅值相差均不大于0.5 dB，層特征中干擾信號疊加程度一致性較高，這與表4的計算結果一致。

圖9 同一發戰斗部上兩組實測加速度信號的頻譜Fig.9 Frequency spectrum of six-layer target penetration test data in one warhead

2.4 去粘連算法中評價指標的應用

該指標不僅能衡量加速度信號目標特征中干擾疊加程度，還能通過計算濾波處理前后指標的變化程度，客觀評價去粘連濾波算法的優劣性。如針對同一個侵徹多層目標加速度信號，不同算法處理得到的結果，層系數和層間系數越低，算法越優。

利用ANSYS/LS-DYNA軟件進行侵徹動力學仿真，600 kg質量戰斗部以650 m/s速度侵徹5層標準混凝土靶標，取傳感器位置質點加速度。圖10(a)為原始信號，圖10(b)為經過去粘連濾波算法處理后的信號。由圖10可以看出，濾波后信號高頻噪聲減小，碰靶及振蕩衰減特征較原始信號增強。通過表5可以看出，處理后每一層的層系數及層間系數均小于處理前的指標，并且平均層系數減小69.1，平均層間系數減小69.5.

圖10 侵徹五層靶標仿真過載數據及濾波后效果Fig.10 Original and filtered acceleration signals of five-layer target penetration simulation

對濾波算法處理前后的信號進行譜(見圖11)分析，圖11中716 Hz、1 269 Hz、1 464 Hz、1 790 Hz 4個特征頻率中716 Hz頻率的幅值沒有變化，1 269 Hz、1 464 Hz、1 790 Hz 3個高頻成分均有降低，且頻率越高降低越嚴重，高頻信號的幅值降低和指標減小的結果一致。

表5 侵徹5層靶標過載數據濾波算法處理前后 計算結果Tab.5 Calculated results of five-layer target penetration simulation

圖11 濾波前后信號的頻譜Fig.11 Frequency spectra of original and filtered acceleration signals of five-layer target penetration simulation

3 結論

本文提出層系數和層間系數兩組評價指標，用來衡量多層加速度信號目標特征中干擾疊加程度。通過3組數據層系數和層間系數的計算、對比和頻譜分析，說明了評價指標的有效性。該指標對侵徹過載峰值比較敏感，兩個趨勢相同的過載數據，如果過載峰值存在成倍數差異，需先進行歸一化處理，然后計算指標，對比層特征信號中干擾的疊加程度。

該指標也可以用來衡量去粘連濾波算法性能優劣，一般情況下，算法處理后疊加系數減少30%以上，可認為去粘連濾波算法對信號有明顯改善作用。

該指標使侵徹引信領域計層算法工程師及試驗測試人員能對動態試驗采集的多層加速度信號中目標特征中干擾疊加程度給出定量結果，對多層信號的層特征凸顯算法處理前后能有客觀的數據評價。