基于盒差分滤波的侵彻引信计层信号预处理方法

孙倩华，孙 凯，张韩宇

(北京航天长征飞行器研究所，北京 100076)

0 引言

计层起爆是侵彻引信根据侵彻过载信号实时识别战斗部碰目标、侵彻目标、穿透目标、钻出目标一系列历程并累计战斗部穿透目标的层数，控制战斗部在指定层数发出起爆信号[1]。计层起爆控制技术的核心是对加速度信号的硬件、软件处理。现有的计层技术有对信号的机械滤波[2]、电气滤波、软件滤波[3]等的信号预处理，基于过载阈值识别法[4]的计层起爆控制技术，基于加速度传感器和开关信号融合的计层算法[5]等。计层信号的层识别通常是在实际采样的穿靶信号数据的基础上将真实穿靶过载信号的上升沿和下降沿从含噪信号中检测出来，而真实的穿靶过载信号与高频振荡干扰信号的幅值也会存在时域上的不连续性，特别是当长径比大的战斗部高速侵彻多层目标时，使得层与层之间的过载相互粘连，现有的侵彻引信难以准确计算层数。本文针对长径比大的战斗部高速侵彻多层目标时，存在层与层之间的过载相互粘连，侵彻引信难以准确计算层数的问题，提出了基于盒差分滤波的侵彻引信计层信号的处理方法。

1 计层信号的盒差分滤波检测原理

1.1 穿靶过载信号研究

以战斗部高速侵彻多层钢筋混凝土靶标为例，测得图1所示的加速度传感器的过载信号。从图1中可以看出，战斗部碰第一层靶时，传感器感受过载加速度信号幅值陡变。战斗部出靶后，传感器受应力波影响输出周期衰减信号，由于战斗部初速较高，真实的侵彻过载信号与高频振荡信号出现混叠，战斗部侵彻下一层靶标时前一层侵彻引起的应力波还来不及衰减到较低的水平，从而使响应信号在时域上出现了信号粘连的现象。

图1 战斗部侵彻多层靶的过载信号Fig.1 Sensitive signals of projectile penetrating into multi-layer hard targets

振荡信号主要来源于战斗部侵彻过程中应力波在战斗部壳体、引信室及引信之间传递造成的高频振荡和侵彻过程中加速度传感器高频频响输出。振荡随时间而衰减，长径比大的战斗部会导致相邻两层振荡信号以及真实的穿靶过载信号互相叠加，使多层靶目标过载信号的上升沿和下降沿变得异常粘连并难以识别，甚至将有效层信号包络淹没在高频振荡信号中，导致引信对层识别产生较大的识别误差。

1.2 盒差分滤波检测

盒差分滤波器(DOB，difference of boxes)，是数字图像处理中常用的滤波器之一，在图像处理领域中，边缘是图像最基本也是最重要的特征之一，在图像中表现为局部范围灰度的突变，而边缘检测正是基于幅度不连续性进行图像分割的方法[6]。边缘检测的基本思想是首先利用边缘增强算子，突出图像中的局部边缘，然后定义像素中的“边缘强度”，通过设置门限的方法提取边缘点集[7]。

目前，常用的边缘检测算子有 Canny算子、Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian of Gaussian(LOG)算子等，Canny对边缘检测提出了3条准则：良好的检测结果、良好的定位和低重复响应[8]。根据Canny的准则[9]，DOB滤波器具有最佳的检测结果。

计层信号的层识别通常是在实际采样的穿靶信号数据的基础上将真实穿靶过载信号的上升沿和下降沿从含噪信号中检测出来，而真实的穿靶过载信号与高频振荡干扰信号的幅值也会存在时域上的不连续性，因此，可以利用数字图像边缘检测的思想对穿靶过载信号的上升沿和下降沿进行检测。

2 计层信号的DOB滤波预处理算法

2.1 DOB滤波器

设大小为N的DOB滤波器h(k)为：

(1)

可知，DOB滤波器是一种2N+1奇数阶、冲击响应奇对称的有限长单位冲击响应滤波器。对于因果系统，设：

(2)

在此，假设x(k)为DOB滤波器的输入信号，那么y(k)=x(k)×h(k)则为经过滤波后的输出信号。如果M为有限长信号x(k) 的长度，2N+1为DOB滤波器的阶数，那么输出信号y(k)的长度自然为M+(2N+1)-1，即M+2N，那么y(k)的计算公式变为：

(3)

通常情况下，滤波器阶数2N+1远小于输入信号的长度M。根据线性卷积的计算过程以及滤波器移位情况的不同，可以知道对应k的不同取值范围输出信号y(k)的计算公式主要分为以下七种情况，分别对应图2中的①—⑦。

图2 DOB滤波器遍历信号的七种情况Fig.2 The seven cases of DOB filter

y(k)=

(4)

另外，计算过程可以用迭代递推的方法实现，公式如下：

y(k+1)=

(5)

2.2 计层信号预处理方法

加速度传感器在高冲击环境下出现零点漂移会存在直流分量，对模数转换采样后的数据首先采用减去信号均值的方法去除直流分量。

由于上述DOB滤波器中M要远大于2N+1，在实际情况中，我们可以认为输入信号的前2N+1个点全是未侵入靶的原始信号(无信号到达)，因此，我们只需考虑情况④，即2N+1

(6)

战斗部在侵彻靶板的侵彻过载自身频率大约为几千赫兹，而实测的多层目标侵彻过载信号中叠加的振荡信号频率则比之高很多，甚至高达几兆赫兹。正是这些振荡信号的存在使得多层目标侵彻过载变得复杂难辨。因此，将DOB滤波器的输出信号再经低通滤波器滤掉这些高频振荡信号，可以在一定程度上消除振荡噪声，达到更理想的处理结果。

预处理流程如图3所示。

图3 算法流程图Fig.3 The flow diagram of algorithm

3 算法仿真

本文采用Matlab软件对上述算法进行仿真来验证其适应性。通过对输入的加速度传感器信号进行计算，其中滤波器的大小N取50，低通滤波器截止频率为2 kHz。仿真数据采用某型战斗部侵彻多层钢筋混凝土靶时的试验数据，战斗部着靶速度约为700 m/s。仿真结果如图4所示，其中(a)为试验原始数据，(b)为DOB滤波后的结果，(c)为低通滤波后的输出结果。

图4 计算结果Fig.4 The results of computation

通过对基于DOB检测的引信计层信号预处理算法的仿真分析可知，该算法在战斗部以较高速度侵彻多层硬目标的情况下可以较好地对穿靶过载信号进行预先处理，处理后的层信号前后沿明显，具有较好的分层特性，再结合阈值法可以有效地识别出战斗部的入靶出靶，可以很好地改善战斗部高速侵彻时穿靶过载信号粘连带来的层识别难题。

为研究DOB滤波器的阶数N对预处理结果的影响，分别取滤波器大小为20、50、200，仿真结果分别为图5(a)、图4(b)及图5(b)所示。可以看出，随着滤波器的阶数N的增大，去噪效果更加明显，当滤波器阶数与层信号内的采样点数相等时(N=50)效果最好，当滤波器阶数大于两倍的层信号内的采样点数时(N=200)，难以获取有效的层信号。因此，为达到较好的识别效果，选择的DOB滤波器阶数不能大于层信号内采样点数的两倍。

图5 不同阶数的计算结果Fig.5 The results of different type of orders

4 结论

本文提出了基于盒差分滤波的侵彻引信计层信号预处理方法。该方法将在图像处理中广泛应用的边缘检测的思想用于侵彻引信对战斗部穿靶过载的计层信号预处理中，即利用盒差分滤波器对穿靶过载上升沿和下降沿检测的方法。该算法分三步：第一是将原始信号进行交流耦合，第二是取绝对值后进行DOB滤波，最后对输出结果进行低通滤波。仿真结果表明：经过处理后的层信号前后沿明显，具有较好的分层特性，再结合阈值法可以有效地识别出战斗部的入靶出靶，可以很好地改善战斗部高速侵彻时穿靶过载信号粘连带来的层识别难题；为达到较好的识别效果，选择的盒差分滤波器阶数不能大于层信号内采样点数的两倍。此外，该算法仅进行少量的累加运算，易于侵彻引信中低功耗起爆控制单片机的实现。