高射频连发测速弹丸信号识别算法

马时亮，倪晋平，杨延西

(1.西安工业大学 光电工程学院，西安 710021；2.西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048)

室内靶道试验是轻武器研制和生产中不可缺少的外弹道参数测量试验，由于试验环境稳定，安全性好，已大量使用在枪炮弹和发射药的生产企业和研究院所.弹道预定点速度的测量是室内靶道试验中必测项目，目前一般采用定距测时原理，利用弹道区截装置探测弹丸飞过区截弹道的时间，依据弹道距离计算出弹丸飞过区截弹道间的速度[1-6].区截装置常采用探测光幕[4-10].高射频连发弹丸发射瞬间存在的冲击波沿室内靶道传播，衰减较小，冲击波会引起放置在室内靶道中的测速光幕误动作，高灵敏度的测速光幕靶还会对弹丸激波信号反应，从而导致光幕输出的弹丸过幕信号夹杂在冲击波和弹丸激波的干扰信号中，真正的弹丸信号很难被准确识别.光幕输出的弹丸过幕信号轮廓与弹丸外形相似，因此称为弹形信号[1,4].对单发射击的超音速弹丸和亚音速弹丸[10]，上述的干扰信号在时间上远离弹形信号，较容易识别.而单发射击的近音速弹丸和连发射击[11-14]弹丸，弹形信号与干扰信号在出现的时段内混杂.对低灵敏度的小靶面测速光幕靶，一般靶面在1 m×1 m以下，冲击波和激波的干扰较小，弹形信号幅值高，很容易识别出来；但对分体式实现的10 m×10 m测速光幕，探测光幕灵敏度高，靶面大，冲击波和激波的干扰严重，连发下的弹形信号很难识别.针对室内大横截面靶道的分体式光幕输出的模拟信号，本文提出一种连发弹丸信号识别算法，能准确识别连发射击弹丸的弹形信号.

1 光幕连发测速系统组成及工作原理

光幕速度测量系统基于双区截定距测时原理[1,4,10]，主要由光幕探测传感器、信号调理电路、信号隔离仪、数据采集卡、工业控制计算机和数据采集与处理软件组成，系统原理如图1所示.光幕探测传感器由启动传感器和停止传感器组成，实现对穿过其探测区域飞行弹丸的探测；信号调理电路对光幕探测传感器输出的电信号进行放大、滤波和整形等调理，然后送给信号隔离仪；信号隔离仪则实现信号调理与数据采集卡之间的电信号物理隔离，保证测试过程中弹丸信号的可靠采集.数据采集卡和工业控制计算机组成数据采集仪硬件，记录光幕探测传感器输出的两路连发弹丸模拟信号；数据采集与处理软件安装在计算机中，分析与处理过幕的连发弹丸信号，识别弹形信号，计算弹丸穿过两个光幕传感器的飞行时间[15]，并存储、显示弹丸信号和测试结果.

测试时，将一对光幕探测传感器放置于预定弹道测速位置附近，并测定靶距S.连发弹丸射出后，所有弹丸将先后依次穿过启动光幕和停止光幕.第一发弹丸穿过启动光幕的瞬间，数据采集仪开始连续记录两个通道的光幕传感器输出的弹丸模拟信号.通过对连发弹丸信号进行分析与处理，滤除冲击波和激波干扰信号后，识别出所有的弹形信号；结合广义相关算法[16]，可依次计算连发弹丸信号的飞行时间ΔT1,ΔT2,…,ΔTn(n为一次连发射击弹丸数量)；再根据定距测速公式计算连发弹丸过靶速度V1,V2,…,Vn，表达式为

(1)

其中ΔTi为一次连发射击中第i发弹丸的过幕时间.

图1 光幕测速系统原理图

2 连发弹丸信号特征分析

声波在管道内传播衰减较小，室内靶道相当于声波传播的管道，发射的冲击波影响探测光幕，在光幕输出的信号中会夹杂干扰信号.在测速系统的探测光幕放大信号与处理电路中施加低频滤波措施，可滤除因冲击波造成探测光幕信号中的低频振荡信号，但是，除第一发之后的光幕信号均伴有一定的振荡.为了实现小口径弹丸在大靶面探测光幕下的测试，分体式探测光幕的灵敏度很高，因而导致激波信号一同被放大，造成弹形信号与激波信号混杂.图2为夹杂干扰信号的超音速某型号连发弹丸信号波形.

从图2可以看出，干扰信号与弹形信号在幅值与宽度上接近，弹形信号后面跟着三个干扰信号.干扰信号特征为：幅值上比弹形信号小，宽度上比弹形信号略窄；弹形信号到达光幕后，经过一定时间延迟，干扰信号才到达光幕.

图2 夹杂干扰信号的连发弹丸信号波形

对任一单发弹丸，在给定靶距条件下，由式(1)可知穿过启动光幕和停止光幕的时间与速度成反比.据此特征，只要确定了任一个信号为弹形信号，另一个信号必然出现在该速度限制范围内，而不在该范围内的信号则为干扰信号.

对连发射击弹丸，相邻的两发弹丸穿过同一探测光幕的时间与其射频成反比，则不满足射频限制的信号均认为干扰信号.而相邻的两发弹丸先后穿过弹道上同一测速点的两个探测光幕，虽然空气阻力等因素造成弹丸速度衰减，但两发弹丸穿过同一光幕的时间间隔大致相等，下文将此特征称为过幕时间约定准则.一般情况下，第一发弹丸的弹形信号干净，没有被干扰，可以作为识别算法中的标准弹形信号和识别基准.

3 连发弹丸信号识别算法

数据采集卡采集到连发弹丸模拟信号后，采样信号首先被送入计算机，并同时在计算机专用软件中保存，其中，数据采集卡的通道1存储启动光幕传感器输出的弹丸模拟信号，称为启动通道；通道2存储停止光幕传感器输出的弹丸模拟信号，称为停止通道.然后，采集信号通过滑动平均滤波算法预处理[10]，滤除扰动带来的毛刺干扰信号.最后，根据光幕传感器输出的连发弹丸信号特征，通过连发弹丸信号识别算法识别出所有的连发弹丸的弹形信号.

3.1 疑似弹形信号识别

经过预处理后的两个通道的连发弹丸采样信号，不仅有弹形信号，还可能含有干扰信号.一般情况下，干扰信号在幅值和时间宽度上与弹形信号不同，利用此特征，通过幅值阈值和时间宽度的限制，滤除部分干扰信号，识别出符合弹种特性的疑似弹形信号.

设单个采样信号为u(t)，t>0；Umax为信号u(t)的最大值，Us为某一固定阈值，且有Us

图3 单个弹形信号识别示意图

令Tk=th-tq，其中tq为阈值与信号前沿相交的时刻，th为阈值与信号后沿相交的时刻，Tk为相对该阈值的信号时间宽度.结合实际射击弹种，给定某一阈值Us以及信号时间宽度Ts和微小量Δ，且满足

(2)

则疑似弹形信号的判别原则为：①当Tk∈(Ts-Δ,Ts+Δ)时，u(t)为疑似弹形信号；②当Tk∉(Ts-Δ,Ts+Δ)时，u(t)为干扰信号.启动通道和停止通道的采样信号分别经过该算法处理后，每个通道仅剩下弹形信号和与弹形信号宽度、幅值接近的干扰信号.

3.2 射频约定准则滤波

连发射击时，前后两发弹丸通过同一个探测光幕时，它们之间的时间受连发的射频限制.结合连发弹丸的射频特征，在确认第一个弹形信号后，通过连发射频限制，可以滤除与下一个弹形信号之间的其他干扰信号.启动通道和停止通道的采样信号可以分别经过该算法进行处理.

假设：某连发射击一次射击N发弹丸，第i发弹丸穿过光幕的时刻为Ti，下一发弹丸穿过光幕的时刻为Ti+1，连发射频为f，则相邻两发弹丸穿过光幕的时间ΔT满足如下方程为

ΔT=Ti+1-Ti=60×1/f

(3)

式中：连发射频单位为发·min-1；过幕时刻单位为s.

假设第i发弹丸的弹形信号已被正确识别，根据上述的连发射频时间限制，相邻下一发弹丸的弹形信号只能在(Ti+ΔT)时刻值附近出现；或者，相邻上一发弹丸的弹形信号只能在(Ti-ΔT)时刻值附近出现.

3.3 速度约定准则滤波

不同弹种的弹丸具有不同的速度，先后穿过两个探测光幕的时间也不同，利用这个特点，通过限制弹丸过幕时间，可以滤除疑似弹形的干扰信号.

假设：某弹种的速度范围是(Vmin,Vmax)，两个探测光幕间距离为S，则根据式(1)可得弹丸穿过两个光幕的最短时间ΔTmin和最长时间ΔTmax为

(4)

假设启动通道的第i发弹丸的弹形信号是已被正确识别的启动信号，对应的时间值为Ti，则停止通道中与之对应的停止信号的弹形信号只能位于(Ti+ΔTmin,Ti+ΔTmax)时间范围内；反之，假设停止通道的第j发弹丸的弹形信号是已被正确识别的停止信号，对应的时间值为Tj，则启动通道中与之对应的启动信号的弹形信号只能位于(Tj-Tmax,Tj-Tmin)时间范围内.

3.4 过幕时间约定准则滤波

连发弹丸射击时，相邻的两发弹丸将先后穿过启动光幕和停止光幕.前后两发弹丸穿过启动光幕和停止光幕的时间，理论上大致相等.

假设：相邻的两发连发弹丸先后穿过启动光幕的时刻分别为T11和T21，穿过停止光幕的时刻分别为T12和T22.根据上述连发时间约定规则，则四个时刻值应满足如下方程：

ΔT=T21-T11≈T22-T12

(4)

假设启动通道中相邻的2个弹形信号已被正确识别，与之对应的停止通道中第1个弹形信号也被正确识别，根据式(4)所述的连发时间约定，则停止通道中第2个弹形信号只可能在(ΔT+T12)附近出现.同理，一旦确定上述疑似弹形信号中的任意3个为弹形信号，根据式(4)即可以搜索并识别出另一个弹形信号，同时滤除该信号附近的干扰信号.

3.5 连发弹丸信号识别算法实现

数据采集与处理软件获得连发弹丸的采样数据后，可按以下步骤实现连发弹丸的弹形信号识别：

① 对启动通道和停止分别进行数据预处理，通过滑动平均滤波算法滤除各个通道的部分干扰信号，处理后的数据作为后续处理的输入数据.

② 识别疑似弹形信号.结合弹形信号特征，设置弹丸信号识别的幅值阈值和时间宽度范围，满足这两个约束条件的信号即被识别为疑似弹形信号.

③ 采用射频约定准则识别同一通道的下一发弹形信号.将每个通道的首发弹形信号作为识别基准信号，根据连发弹丸的射频，针对每个通道的信号进行射频限制滤波，滤除限制范围外的干扰信号.

④ 采用速度约定准则识别同一发弹丸在停止通道的弹形信号.将启动通道的首发弹形信号作为基准信号，根据射击弹丸的速度范围并结合两个光幕间的距离，得到同一发弹丸先后穿过两个光幕面的时间限制范围，停止通道中不在该时间范围内的信号认定为干扰信号.

⑤ 采用过幕时间约定准则确认停止光幕中下一发弹丸的弹形信号，滤除时间约束范围外的干扰信号.

重复第③～⑤步，直至识别完成所有采集的连发弹丸数据，结合广义相关算法计算所有的连发弹丸过幕时间和速度，显示测量结果.上述算法步骤中也可以将通道2作为基准识别通道1的信号.

4 实验及结果分析

实验1：在某试验场室内靶道用XGK-2012型光幕靶和数据采集仪组成的测量系统对某型号弹丸进行了连发实弹实验，两台光幕靶间距离S=5.366 m.数采参数设置为：采样频率1 MHz，采样时间长度2 s，信号识别阈值Us=2.0 V ，信号时间宽度(20,40) μs，速度限制(750,950) m·s-1.数据采集仪采集的光幕靶输出的部分连发弹丸信号波形如图4所示.

结果分析：① 通过信号识别阈值截取，启动通道4个信号时间宽度分别为27 μs、24 μs、21 μs和10 μs，第4个信号不在信号时间宽度范围内，为干扰信号；前3个信号作为疑似弹形信号被保留.停止通道的信号识别同启动通道，前3个信号均作为疑似弹形信号被保留.② 假设启动通道的3个疑似弹形信号对应时刻值分别为Tq1、Tq2和Tq3，停止通道3个疑似弹形信号对应时刻值为Tt1、Tt2和Tt3.通过软件计算，Tq1和Tt1时间差值ΔT11=6 264 μs，Tq1和Tt2时间差值ΔT12=77 305 μs，Tq2和Tt2时间差值ΔT22=15 330 μs，Tq3和Tt3时间差值ΔT33=15 340 μs.根据速度滤波限制并结合式(1)，启动信号与停止信号间的时间差值只可能在(5 648,7 155) μs范围内，通过比较可知：Tq1和Tt1为弹形信号，Tq2、Tq3、Tt2和Tt3为干扰信号.

图4 光幕靶输出的部分连发弹丸信号波形

实验2：在某试验场室内靶道用XGK-2010型光幕靶和数据采集仪组成的测速系统对某型号弹丸进行了20连发实弹射击实验.实验用枪弹的标准速度V=850 m·s-1，理论射频f=3 000发·min-1；两台光幕靶间距离S=1.000 m.数采参数设置如下：采样频率1 MHz，采样时间长度2 s，信号识别阈值Us=1.0 V，信号时间宽度(10,60) μs，速度限制(800,1 000) m·s-1.采集的探测光幕输出的部分连发弹丸信号波形如图5所示.该连发弹丸模拟信号经过疑似弹形信号识别算法处理后，软件自动识别出启动光幕有21个疑似弹形信号，停止光幕有20个疑似弹形信号.经过连发弹丸信号识别算法处理得到的连发弹丸速度和射频见表1.

图5 两台光幕传感器输出的部分连发弹丸信号波形

表1 连发弹丸速度测量结果

结果分析：图5的连发弹丸启动光幕信号中含有一个干扰信号，该信号可通过连发弹丸的射频约定准则和过幕时间约定准则滤除.① 已知连发射频f=3 000发·min-1，并假设连发射击的极限射频范围为(0.85×f,1.15×f)发·min-1，则下一发弹丸的启动信号应该在(Tq1+17 391,Tq1+23 529)μs范围内，即前后两发弹丸穿过同一传感器的时间不超过(17 391,23 529)μs.通过计算，启动光幕信号中干扰信号与第一发弹丸信号时间差值为4 993 μs，明显超出射频范围限制，应予以剔除.② 设前后两发弹丸依次穿过启动光幕和停止光幕的时刻值分别为Tq1,Tq2,Tt1和Tt2，通过软件计算：ΔTq12=Tq2-Tq1=4 993 μs，ΔTt12=Tt2-Tt1=17 893 μs.根据两个通道间连发过幕时间约定准则ΔTq12≈ΔTt12，而实际上ΔTq12<0.3·ΔTt12，两个时间值相差很大；而启动光幕信号中第3个信号与第1个信号的时间ΔTq13=Tq3-Tq1=17 884 μs，几乎与ΔTt12完全相等，满足连发时间约定准则.通过以上数据的对比分析，即可判定启动光幕第2个信号为干扰信号，应予以剔除.

5 结 论

室内靶道光幕测速系统获取探测光幕输出的连发射击弹丸信号，不仅有弹形信号，而且还有冲击波、激波等干扰信号.

1) 通过对连发弹丸的弹形信号以及干扰信号的特征进行分析，结合信号时间宽度、幅值识别阈值以及预定弹丸速度和连发射频等参数，提出了疑似弹形信号识别算法、射频约定准则滤波算法、速度约定准则滤波算法以及过幕时间约定准则滤波算法.

2) 通过两类实弹射击实验验证，提出的连发弹丸信号识别算法能够有效滤除连发弹丸信号中夹杂的干扰信号，准确识别出连发弹形信号.

3) 本文提出的算法能实现一类室内靶道光幕测速系统连发射击下弹丸速度的测量，也能较好地识别超音速或低音速弹丸的弹形信号，但对近音速弹丸的弹形信号识别是下一步工作的研究重点.