测速光幕靶用数字信号处理算法

测速光幕靶用数字信号处理算法
田会;倪晋平;李亚胜
【摘要】针对光幕靶在使用中易受到蚊虫、冲击波和光电器件随机噪声干扰因而可靠性差的技术难题,提出一种测速光幕靶用数字信号处理算法.利用数据采集仪采集光幕靶输出的弹丸过靶信号,通过莱达因准则剔除偶发性干扰数据.通过阈值比较法判断出弹丸信号的时间范围后,利用4次高斯公式对一定时间范围内的采样数据进行曲线拟合,并准确计算出半峰值触发时刻点,实现低采样率下的高精度测量.研究的信号处理算法利用计算机进行仿真验证,其原理正确,计算效率高.配合XGK-2002型光幕靶进行实弹射击试验,测试数据表明:该算法可准确计算出各类弹丸信号的过幕时刻,极大地提高了光幕靶的稳定性和适用范围,测量相对误差不大于0.1％.研究的算法同样适用于一类动态特征信号的提取与计算.%In order to solve the technical problem of the incorrect signal of optical screen due to disturbance of mosquitoes, impact wave or noise from photoelectric device, a digital signal processing algorithm was put forward. The algorithm used the data acquisition (DAQ) instrument to collect signals of the projectile passing through the screen, and then used 3a criterion to remove singular points. The triggering moment of the half peak could be selected correctively by means of the 4-power Gaussian curve fitting for the sampling data to achieve high-precision measurement with the lower sampling rate after the time frame of the projectile signal was determined by threshold comparison. The testing results of the computer simulation and the ball firing show that the algorithm is correct with high efficiency. The testing result of the ball firing of the XGK-2002 optical screen shows
that the algorithm is eligible to measure the moment when various projectiles crossing through the screen and improves the application field and stability of the light screen target, the measurement relative error of the algorithm is less than 0. 1%. The algorithm is also applies for the extraction and calculation of dynamic characteristics of this kind of signals such as sky screen target.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2012(033)003
【总页数】6页(P542-547)
【关键词】光幕靶;弹丸测速;坏点剔除;曲线拟合
【作者】田会;倪晋平;李亚胜
【作者单位】西安工业大学陕西省光电测试与仪器技术重点实验室,陕西西安710032;西安工业大学陕西省光电测试与仪器技术重点实验室,陕西西安710032;西安工业大学陕西省光电测试与仪器技术重点实验室,陕西西安710032
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.73
引言
弹丸飞行速度是衡量武器系统技术指标的一项重要参数，其重要性相当于米在长度测量领域的地位。

光幕靶是一种以光电转换技术为基础的弹丸速度测量区截装置。

由于装置本身自带光源，光源与接收装置自成一体，具有操作简便、灵敏度高、可
靠性好、测试精度高等优点，已成为兵器靶场主要测试设备，逐步替代线圈靶、钢板靶等传统的测试设备［1－4］。

置于预定弹道上的两台光幕靶配合一台测时仪
组成区截测速装置，用以测量弹丸在预定段内的飞行速度；若采用4台或更多的
光幕靶，在空间按照预定的角度安装，可实现弹丸飞行速度、着靶坐标、飞行方向矢量角的测量［5］。

弹丸穿过光幕靶探测视场时，接收装置接收到的光能量发生变化，光电器件将变化的光信号转换为微弱的电信号，经信号处理电路放大后输出弹丸过靶信号。

传统方法将过靶信号经过触发比较器电路后，转换成数字脉冲信号，触发后续脉冲信号测时电路。

此类方法设备构成简单，可实现常规弹丸飞行参数的准确测量。

但针对特种弹或弹丸过靶信号受到干扰（火光干扰、冲击波干扰、蚊虫干扰等）时常常输出干扰信号，导致测试数据出现异常，且干扰信号通常不可复现，无法分析具体原因。

近年来，有研究者提出引入数据采集技术，用数据采集仪直接采集弹丸穿过光幕一段时间内光幕靶输出的过靶模拟信号，利用数字信号处理算法计算弹丸穿过不同光幕靶的时间差。

本文在不改变光幕靶结构和硬件的前提下，针对采集到的弹丸过靶信号，利用研究的数字信号处理算法，滤除干扰信号，增强光幕靶的可靠性，准确提取弹丸过幕时刻信息，提高了测试精度［6－8］。

1 光幕靶信号特性分析
光幕靶是通过探测光电二极管上光能量的变化而输出一个交流信号。

当弹丸进入光幕时，光电二极管上接收到的光能量逐渐变小，经过信号处理电路进行反向放大后的输出信号幅值上升；当弹丸离开光幕时，光电二极管接收到的光能量逐步恢复常态，信号幅值逐步下降，并恢复到常态，此段时间内输出的信号称为过靶信号。

过靶信号达到的最大幅值与弹头直径成正比，信号宽度（Δt）与弹丸长度和飞行速
度有关，如（1）式所示：
式中：l为弹头长度；h为光幕厚度；V为弹丸的飞行速度。

图1为气枪弹穿过XGK－2002型光幕靶时输出的过靶信号，由于气枪弹为葫芦形，信号中间的凹陷对应气枪弹中心到达光幕中心的时刻。

根据光幕靶工作特性可知，任何作用在接收器件上的变化的光信号都有信号输出。

低音速弹丸测速试验中，冲击波压缩空气且先于弹头穿过光幕面，使接收装置接收到的光能量发生变化，导致弹丸过靶信号叠加在冲击波信号上，无法准确识别，图2为弹形信号夹杂在冲击波干扰信号中。

在2mm钢球和预制破片测速试验中，由于弹丸直径小，速度快，过靶信号的信噪比较低，无法事先确定比较器阈值。

图3为2mm钢球过靶信号波形。

此外，蚊虫、火光等产生的干扰信号也较复杂，采用传统触发电路识别易出现错误。

2 过靶时刻提取算法
由（1）式可知弹丸穿过光幕为一段时间，从中提取出一个特定时刻点代表弹丸过幕时刻，且该时刻点不随机械结构与放大电路的差异性而变化是保证测试精度的重要因素。

图4为理想圆柱体弹头穿过矩形光幕的仿真信号。

其中弹丸尾部到达光幕中心时刻对应于过靶信号幅值下降到峰值一半（Umid）的时刻点（tmid），该触发点称为幕中触发时刻，该时刻点不随其他因素的变化而变化，是理想的过幕触发时刻点［9］。

2.1 坏点剔除及信号滤波
数据采集仪接收到触发信号后按照1MHz采样率实时采集光幕靶一段时间内输出的动态信号。

在信号采集过程中，光幕靶由于各种原因会出现概率很小但作用强烈
的偶发性干扰，从而出现异常数据，诸如缺值、奇异值、多值等，统称这些异常数据为坏值，坏值的存在易导致后续信号提取算法的错误判断，因此必须进行剔除和修正。

根据概率论统计，当残余误差服从正态分布时，误差大于3σ的数据出现概率小于0.003。

因此当一段时间内的个别数据偏差大于3σ时，可以认为该数据点为坏点，也即莱因达准则：当｜Xi－X｜＞3σ时，Xi为坏点数据，应予剔除，否
则保留［10］。

考虑到动态信号是连续变化的，若针对整体数据按照一个均值进
行计算，容易将有用信号剔除，因此需对采样数据进行分段处理。

针对现有弹丸过幕时间大多在10μs以上，因此采用每5个相邻的数据点为一组进行3σ判定，且前一组数据的最后一个点和后一组数据第一个点为同一个点，可确保数据的连续性。

判定某个数据点为坏点后，将其数值改为该组平均值。

图5为坏点处理前后信号
波形图，图5（a）中第1个高幅值信号为干扰信号，第2个信号为气枪弹过靶信号；图5（b）为处理后的数据波形。

该方法仅对高频高幅值干扰信号有效。

针对微弱过靶信号常淹没在噪声中无法有效提取的技术难题，通过分析噪声和过靶信号频率特性的差异，对采样信号进行低通滤波。

利用Matlab中的频谱分析函数对采样数据进行频谱分析，确定信号中噪声和弹形信号各自的频带范围，并依此设计3阶低通滤波器，可有效滤除高频噪声，保留弹形信号。

图6为滤波前后的信
号比较。

经比较，滤波后的信号的信噪比有显著提高，且信号本身特性未发生改变。

2.2基于曲线拟合的半峰值特征点提取
考虑到数据采集系统的硬件成本和数据量，采样率大多选用1MHz或者更低。

因
此从采集的数据中无法准确提取半峰值特征时刻点。

以气枪弹为例，弹丸过幕时间为45μs，而弹尾离开光幕的时间仅有4μs，当数据采集仪的采样频率设为1MHz 时，在信号下降阶段仅可采集3～4个数据点，很难确保半峰值时刻点为采样点；
若设置较高采样率，则数据量较大，运行效率较低。

为了有效提取半峰值时刻点，提高算法的运行效率，首先通过阈值判定弹丸信号的时间范围，对弹形信号的前后一段时间范围内的数据进行曲线拟合，达到数据细分的目的，进而可准确提取出半峰值时刻点［11］。

曲线拟合是指用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系的一种数据处理方法，常用的曲线拟合方式主要是最小二乘法拟合。

图7
为采用两种公式对同一组数据进行拟合后得到的数据曲线，其中图7（a）为数据
采集仪采集的气枪弹过靶信号的数据点，采样率为500KHz；图7（b）为经过25次线性拟合后得到的数据曲线；图7（c）为采用4次高斯公式拟合后得到的曲线。

（2）式为4次高斯公式。

通过观察原始数据点和拟合曲线可知，采用多项式拟合，求解的系数较多，且未能很好地抑制噪声分量；高斯拟合公式主要适用于具有单峰曲线的数据点的拟合，特别是弹丸过靶信号大多属于此类，因此采用4次高斯公
式进行拟合，能够较好地反映弹丸过靶信号的变化趋势，同时有效地抑制白噪声的干扰。

按照最小二乘法利用（2）式对采样数据进行4次高斯拟合运算后，可计算出（2）式中的12个系数值，确定信号对应的公式，进而可准确寻找半峰值点对应的时刻值，并以该时刻值作为弹丸过幕时刻。

3 试验验证与结论
为了验证测试算法的准确性与可靠性，采用实弹射击试验方法进行验证。

通过数据采集仪采集光幕靶输出的模拟信号，利用研究的数字信号处理算法计算弹丸飞行速度，试验弹种包括7.62mm步枪弹、2mm钢球、23mm枪榴弹，试验采用的光
幕靶为XGK－2002型光幕靶。

步枪弹试验采用两套靶进行套打比对试验，外靶靶
距为6m，测速方式为传统的测时仪方式，内靶靶距为4m，采用数据采集仪配合测试算法进行测速。

表1为步枪弹测试数据，通过试验数据比对验证测试算法的
准确性；表2为2mm钢球测速试验数据，采用两套光幕靶配接数据采集仪测试
钢球在不同点的速度，其中前靶测试距枪口5m处的速度，后靶测试距枪口6.5m 处的速度。

因测试物体直径较小，采用传统测速方式无法准确测试，依据装药量和钢球在飞行过程中受空气阻力等因素影响产生的速度降［12］判断试验数据是否
正常。

表3为23mm特种低音速弹丸测速数据，与不受声波影响的网靶进行数据比对。

表1 7.62mm步枪弹测速数据Table 1 Velocity of 7.62mm rifle projectiles序
号外靶／（m／s）内靶／（m／s）速度差／（m／s）1 733.3 733.8 －0.5
2 734.
3 733.9 0.
4 3 736.2 735.8 0.4 4 736.1 736.2 －0.1
5 735.4 735.
6 －0.2
表22mm钢球测速数据Table 2Velocity of 2mm steel ball序号前靶测速／（m／s）后靶测速／（m／s）1 786.3 719.1 2 773 709.3 3 779 714.7 4 794 726.4 5 721 658.9
表3 23mm特种低音速弹测速数据Table 3 Velocity of 23 mm rifle grenades
序号光幕靶／（m／s）网靶／（m／s）速度差1 253.9 253.7 0.22 250.3 250.1 0.23 259.6 259.6 0.0 4 260 259.9 0.1 5 232.4 232.4 0.0
数据分析：针对常规弹丸，两种测速方式的速度差小于1‰，可验证研究的数字
信号处理算法的准确性；针对2mm钢球，测速数据与装药量吻合，且前、后靶测量的速度差与理论分析吻合；针对23mm低音速弹丸，测试数据与网靶数据吻合。

结论：经试验数据验证，研究的测速光幕靶用数字信号处理算法可准确计算出幕中触发时刻，完成各类弹丸飞行速度的测量。

研究的算法同样可适用于天幕靶与天幕立靶等弹丸过幕时刻提取设备，测量精度比传统方法有极大提高，对于其他类动态
参数测试方法具有一定的指导意义。

【相关文献】
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