基于小波分析的单个天幕靶速度测量方法研究

基于小波分析的单个天幕靶速度测量方法研究
摘要：天幕靶是一种基于光电转换工作原理的测试仪器。

由于在野外环境中使用，飞行昆虫和鸟类往往导致仪器的错误触发，这往往使整个测试不可能。

因此，提高空中目标在野外抵抗蚊虫干扰的能力，对提高仪器的环境适应性具有重要意义。

关键词：天幕靶；速度测量；小波；弹丸；边缘检测；
提出了用单个天幕靶测量弹丸初速的原理及方法，介绍了测量系统的组成及
原理框图：由实弹射击实验获得的天幕靶信号，利用小波变换分析了弹丸穿越天
幕靶光幕时产生的电动势，建立了弹丸穿越天幕靶光幕的时间间隔及弹丸初速的
计算方法。

与双天幕靶弹丸初速测试结果进行了比对，证明了该方法的可行性。

一、概述
弹丸速度测量及数据处理是靶场试验中的一项重要内容。

传统的天幕靶测速
系统一般用2台天幕靶配1个计时器,采用天幕靶作为区截装置。

由于受靶间距测
量精度的限制,为提高测量精度,靶间的距离一般较大。

测速过程中,两靶中心位置、噪声及靶性能差异等均会造成天幕靶输出信号的位置漂移误差和两靶信号波形的
时间测量误差,使得对数据处理及测量修正存在一定的难度,追求时间分辨率高的
计时设备已失去意义。

同样,当采用数采系统作为弹丸过靶信号的记录装置时,由
于上述原因,信号的判读误差也较大,甚至会出现两靶信号判读准则上的差异,从而
给速度测量带来较大的误差。

采用天幕靶单靶测速,由于不受靶间间距测量手段的
限制及过靶信号波形不一致的影响,有助于提高测试精度,因此研究天幕靶单靶测
速具有一定的意义。

据相关研究表明,天幕靶固有噪声频率分量较为丰富,有些频
率分量的噪声高达±1 V。

显然,噪声对弹丸过靶信号干扰太大,给精确判读弹丸经过
光幕的时间间隔带来相当的难度。

小波变换具有空间局部化性质,因此可利用其模
极大值点检测动态测量信号的突变点。

利用小波变换分析了弹丸穿越天幕靶光幕
时产生的电动势,判读天幕靶信号的奇异性位置,提出了一种新型的单天幕靶测量
弹丸初速的方法,并与双天幕靶弹丸初速测试结果进行了比对,证明了该方法的可
行性。

二、天幕靶的原理
天幕靶是一种利用光电转换原理探测飞行目标到达某一预定位置时刻信息的
仪器。

其结构如图1所示，狭缝光阑位于仪器成像系统的像面位置，使仪器在物
方空间上形成如图1所示的薄型扇面，称为天幕。

使用中，仪器利用天空形成的
亮背景，天幕面的法向被布置得与待测目标的飞行方向尽量保持一致。

当有目标
穿越天幕时，目标引起的光通量变化会使位于光阑后方的光电感器产生微弱的脉
冲输出。

该脉冲通过放大、整形和数字比较器，可形成标志目标穿越天幕时刻信
息的数字脉冲。

理论分析可知；影响脉冲宽度的因素包括；天幕在目标穿越位置
上沿目标飞行方向的投影厚度wp，目标的飞行速度Vp前级放大器输入电路的时
间常数ti光电传感器的反应时间常数tt飞行目标的长度沿天幕法线方向上的投影
长度Hp一般ti和tt都非常小!对脉冲宽度的影响可以忽略不计,工程中对脉冲宽
度的理论计算为;
其中,Tin为脉冲的持续时间!又称为闪烁时间,如果将被测对象的目标特征时间
参数定义为;
其中,H为目标长度,闪烁时间亦可表示为;
其中a为目标飞行方向与天幕法线方向的夹角,在实际使用中!有效被测目标总可以认为近似垂直天幕穿过,由于成像系统原理决定!天幕只能是近似的扇形平面
#!*/""因此!对于有效的探测目标,闪烁时间表示为;
对各种干扰来说,干扰目标穿过天幕的角度是随机的,在目标特征时间一定时,
只有目标飞行方向与天幕法线共直线时!引起的仪器闪烁时间最短,实际靶场测试
发现;天幕靶的测试目标的特征时间一般都比较小!与干扰目标的特征时间存在明
显区别,因此能根据目标特征时间的差异实现天幕靶对有效目标的识别,提高仪器
的抗干扰能力。

三、信号奇异性检测原理
小波理论表明,模极大值的幅值随着尺度的变化规律是由信号在该突变点的局
部李氏(Lipschitz)指数T决定的。

李氏指数T是数学上表征函数局部特性的一种度量,其定义是:设n为非负整数,n<T≤n+1,如果存在着2个常数A和h0(>0),及n次多
项式Pn(h)使得对任意的h≤h0,均有
式中jT把小波变换的尺度特征j和李氏指数T联系起来。

式(6)给出了小波变
换的对数值随尺度j或T的变化规律,自然的对应信号奇异点的小波变换模极大值
随尺度的变化也应满足此规律。

由式(6)知,当T>0时,小波变换将随j的增大而增大;当T<0时则随的j减小而减小;对T=0,(阶跃情况),则小波变换的模极大值不随尺度
改变。

由上可知:如果f(t)在t0是突变点,那么在各个尺度上t0点附近的|W2j f(t)|
会产生局部极大值点,并且随着尺度的减小,其极大值点收敛于t0,故可利用小波变
换模极大值检测出信号上的所有突变点。

因此,可利用小波变换模极大值检测出弹
丸穿越天幕靶光幕时产生的电动势上的突变点去判读天幕靶信号的奇异性位置,确
定弹丸经过光幕的时间间隔t。

四、实验与实例分析
对某枪弹的初速进行实弹验证,所得弹丸穿越天幕靶信号含±0.5 V左右的高频
噪声信号,该噪声信号是天幕靶测速有噪声与光源的固有噪声叠加的结果。

图2中s、a5、d2和d1为用sym 4小波对Ⅰ靶信号在水平5的分解图形。

图1Ⅰ靶信号的处理结果
然后用db1小波对信号重构,再用db 1进行二次分解,能得到较为理想的结果。

数据处理过程如图2所示。

图2用db1对分解信号进行处理的过程
为简便起见,这里仅给出近似a5和小波空间中的细节d2、d1。

从图2可以看
到小波空间的高频部分d1将信号的不连续点显示得相当明显。

图3为Ⅰ靶和Ⅱ
靶的信号处理结果的放大数据处理结果。

图3Ⅰ、Ⅱ靶信号的分析结果其中,Ⅰ靶处理结果中,采样点数963及1028分
别对应弹丸穿过天幕靶光幕的起点和终点;Ⅱ靶处理结果中,采样点数5315及5380分别对应弹丸穿过天幕靶光幕的起点和终点。

实验数据处理结果表明,单、双靶测
速的结果比较吻合,误差在允许范围之内。

试验结果证明了天幕靶单靶测速的可行性。

天幕靶-测试仪与单天幕靶-数采2套测量系统中,测距不确定度都可控制在
0.1%,测时的不确定度可以控制在10-6以内。

但天幕靶-测试仪系统中2个天幕靶器件动态特性的差异所带来的不确定度仅可以控制在0.5%,这一项误差是单天幕靶-数采系统中所没有的。

由误差传递理论可知,单靶测速系统的不确定度明显优于传统的天幕靶-测试仪系统。

总之，避开了传统双天幕靶测速时误差的主要来源(靶距测量误差有天幕靶器件差异)所带来的误差影响,用小波变换在时域的精确定位寻找特征点,增加了数据的抗干扰能力,提高了测试系统的性价比。

把单纯的利用天幕靶作为区截装置测单发弹丸的速度到可作为其它动态参数测量的数据采集及处理用,大大提高了天幕靶的测试用途及测量范围。

若对天幕靶的性能及机理进一步的研究,可为武器测试提供新的测试途径及思路。

参考文献：
[1]王芳，一种测速光幕靶的数字滤波电路设计.2019.
[2]张艳，浅谈基于小波分析的单个天幕靶速度测量方法研究.2019.。