動能貫穿混凝土多層靶標(biāo)加速度信號失真修復(fù)

游金川，李東杰，黃莎玲，朱鴻志，楊　荷

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621900）

動能貫穿混凝土多層靶標(biāo)加速度信號失真修復(fù)

游金川，李東杰，黃莎玲，朱鴻志，楊荷

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621900）

通過對動能貫穿混凝土多層靶標(biāo)實(shí)驗(yàn)隨彈加速度計(jì)實(shí)測的加速度信號失真情況分析，辨識出零點(diǎn)漂移誤差是影響積分算法的最主要誤差因素，靈敏度變化的影響相對較小。零點(diǎn)漂移誤差可通過自由飛行段加速度計(jì)輸出進(jìn)行補(bǔ)償。而靈敏度誤差則可利用實(shí)測的入靶速度作為膛內(nèi)加速過載段積分的速度參考值進(jìn)行補(bǔ)償。給出5種沖擊加速度誤差補(bǔ)償方案。在對貫穿前零偏誤差和傳感器靈敏度誤差同時進(jìn)行補(bǔ)償后，其解算結(jié)果最優(yōu)。彈體剛性加速度的一次積分與二次積分分別與實(shí)測的出靶速度和實(shí)際位移保持較好的一致性，相對誤差分別為-2.7%和0.2%。

壓阻式高g值沖擊加速度計(jì)；動能貫穿多層混凝土靶；誤差分析；零位漂移；靈敏度

0　引　言

為了進(jìn)一步研究侵徹和貫穿過程中彈體的受力，在采用光學(xué)測試手段（如高速相機(jī)、X光分幅相機(jī)等）進(jìn)行間接測量的基礎(chǔ)上，人們開發(fā)利用彈載高g值沖擊加速度計(jì)對該受力過程進(jìn)行直接測量。

沖擊加速度的實(shí)時測量使得侵徹引信炸點(diǎn)精確控制成為可能。Sibeaud等［1］提出了基于彈載壓阻式高g值沖擊加速度計(jì)的實(shí)測信息，無需先驗(yàn)的時間延遲，能夠在任意期望位置實(shí)時起爆的智能侵徹引信。試驗(yàn)中，沖擊加速度信號的時間積分和雙積分，即彈體的速度和位置，與高速攝影高度吻合。

積分算法本身相對成熟，難點(diǎn)主要在于沖擊加速度的精確測量。因?yàn)闆_擊加速度計(jì)輸出信號中不僅包含彈體剛性過載，還包括傳感器本身的諧振、傳感器安裝基座動力學(xué)響應(yīng)和環(huán)境噪聲等［2］。因此，利用間接測量的參考信息對加速度計(jì)輸出進(jìn)行校正，對于高g值加速度計(jì)性能特點(diǎn)的研究和侵徹引信炸點(diǎn)精確控制算法的設(shè)計(jì)非常重要。

James［3］系統(tǒng)地提出了對高g值壓電傳感器測量失真的爆炸沖擊加速度信號進(jìn)行誤差修復(fù)。他將誤差因素歸納為基線漂移（base line shift）即零位漂移（zeroshift）和加速度計(jì)響應(yīng)兩類。Franco［4］，Rohwer等［5］提出利用測量的入靶速度對測量的減加速度進(jìn)行校正。范錦彪等［6］給出了彈丸侵徹混凝土目標(biāo)減速度信號的處理原則。提出依據(jù)沖擊前后高g值加速度傳感器輸出零點(diǎn)的漂移量，對實(shí)測加速度信號從峰值點(diǎn)之后開始?xì)w零修正，然后根據(jù)傳感器所獲得的絕對值對峰值點(diǎn)后加速度傳感器靈敏度進(jìn)行修正。誤差補(bǔ)償后，加速度信息的雙積分位移與實(shí)測的侵徹深度相差6.3%。但這種從峰值點(diǎn)開始的修正方式有可能導(dǎo)致加速度信息的不連續(xù)。游金川等［7］初步驗(yàn)證了基于高g值加速度計(jì)測量積分的侵徹引信炸點(diǎn)精確控制算法，其加速度信息也是經(jīng)過零位漂移誤差補(bǔ)償過的。

在此基礎(chǔ)上，本文提出利用貫穿前或貫穿后自由飛行段高g值加速度計(jì)的零偏補(bǔ)償測量信息，同時利用發(fā)射過程中的測試過載和外測的速度信息對傳感器靈敏度進(jìn)行修正。對補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，積分速度誤差＜3%，積分位移誤差＜0.2%。

1　動能貫穿多層混凝土靶試驗(yàn)

文獻(xiàn)［8-10］給出了相應(yīng)的彈靶作用過程受力模型。然而，在全尺寸彈丸侵徹多層增強(qiáng)型混凝土靶試驗(yàn)中，隨著侵徹速度增加，侵徹加速度信號上疊加大量的高頻振蕩信號，層與層之間的過載相互粘連，導(dǎo)致無法保證計(jì)層起爆控制算法的可靠性［11-12］。此時，可以考慮利用積分求解侵徹深度的炸點(diǎn)精確控制算法［2，7］。不過在此之前需要進(jìn)一步確認(rèn)算法中的主要誤差因素，以及對測量加速度信息進(jìn)行修復(fù)和補(bǔ)償。

圖1為某次高速侵徹4層增強(qiáng)型混凝土厚靶試驗(yàn)的布局。彈長約1.4m，首靶厚0.3m，其余3靶厚0.18m，靶間距2.5 m，正侵徹，從彈頭觸靶到彈尾出靶，整個貫穿過程的實(shí)際位移約9.755m。利用高速相機(jī)拍攝確定的入靶初速為345 m/s，4層靶后的速度為270m/s。

圖1　侵徹4層增強(qiáng)混凝土試驗(yàn)布局

由于壓電加速度傳感器存在較大的“零漂”且體積較大，試驗(yàn)中，采用的是中國兵器工業(yè)某所生產(chǎn)的壓阻式高g值沖擊加速度計(jì)，其量程為50000g，最大過載70000g。

2　失真沖擊加速度信號分析和處理

在補(bǔ)償上電零偏電壓后，再對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到如圖2所示加速度信號。

圖2　補(bǔ)償上電零偏后的過載加速度信號

由圖可見，整個過程可分為如下階段：1）靜止上電；2）膛內(nèi)加速段；3）出炮口自由飛行段（貫穿前自由飛行）；4）貫穿段；5）貫穿后自由飛行；6）回收段等。

對上述加速度信號進(jìn)行分階段處理。

1）靜止上電段：0～0.015 s，在補(bǔ)償上電零偏電壓后，靜止上電段沖擊加速度計(jì)的平均輸出為-2.6144m/s2；

2）膛內(nèi)加速段：0.015～0.0537s，高g值加速度計(jì)敏感到的膛內(nèi)加速度如圖3所示。選取的時間段覆蓋了整個膛內(nèi)加速過程，標(biāo)稱加速度峰值為-1960g，在0.03s左右達(dá)到。對整個加速過程進(jìn)行積分，可以得到膛內(nèi)速度變化曲線。如圖4所示，解算出來的出膛速度約為286.6m/s，與外測參考值相差約Δν=-58m/s，誤差率約16.9%。

圖3　補(bǔ)償上電零偏后的膛內(nèi)加速度

圖4　補(bǔ)償上電零偏后解算的膛內(nèi)速度

3）出炮口自由飛行段：0.0537～0.0718s，在補(bǔ)償上電零偏電壓和經(jīng)歷膛內(nèi)加速后，出炮口后自由飛行段沖擊加速度計(jì)的平均輸出為3129.4m/s2?？梢姡诮?jīng)歷大幅值沖擊加載后，加速度計(jì)的零偏將發(fā)生較大改變。

4）貫穿段：0.0718～0.11s，在補(bǔ)償上電零偏電壓后，貫穿段的原始加速度如圖5所示。

圖5　補(bǔ)償上電零偏后貫穿段加速度

對整個加速度過程進(jìn)行積分，可以得到如圖6所示貫穿段速度和如圖7所示貫穿段位移。理論上，在貫穿每層靶后，加速度計(jì)輸出應(yīng)該在高頻大幅值振動后迅速回零。但受限于現(xiàn)有加速度計(jì)性能，靶間自由飛行段的振蕩加速度仍振蕩明顯，導(dǎo)致直接從加速度信號判斷靶的層數(shù)失效，在積分速度信號中也未見明顯的階梯狀下降特征。

圖6　補(bǔ)償上電零偏后解算的貫穿段速度

圖7　補(bǔ)償上電零偏后解算的貫穿段位移

圖6中，解算的出靶速度約為172.7m/s，與外測參考值相差Δν=-97.3m/s，誤差率約-30.6%。

圖7中，解算的貫穿段最終位移為8.34m，與真實(shí)的位移值相差約-1.415m，誤差率約-14.5%。

5）貫穿后自由飛行段：0.11～0.14s，在補(bǔ)償上電零偏電壓和貫穿多層增強(qiáng)混凝土靶后，自由飛行段沖擊加速度計(jì)的平均輸出改變?yōu)?812.1m/s2。與階段3）的輸出相比，貫穿前后的加速度零偏也發(fā)生一定改變（Δa=682.7 m/s2），但基本保持在一個數(shù)量級上。

3　沖擊加速度信號失真修復(fù)

3.1信號修復(fù)方案

文獻(xiàn)［6］提出依據(jù)沖擊前后高g值加速度傳感器輸出零點(diǎn)的漂移量，對實(shí)測加速度信號從峰值點(diǎn)之后開始?xì)w零修正，然后根據(jù)傳感器所獲得的絕對值對峰值點(diǎn)后加速度傳感器靈敏度進(jìn)行修正。但這種從峰值點(diǎn)開始的修正方式有可能導(dǎo)致加速度信息的不連續(xù)。認(rèn)為應(yīng)該對沖擊前或沖擊后的加速度零偏信號整體進(jìn)行誤差補(bǔ)償，同時利用外測速度信息，比如膛內(nèi)加速過載，對高g值加速度計(jì)靈敏度進(jìn)行校正。

對此，進(jìn)行了如下5種方案修復(fù)：1）補(bǔ)償貫穿前加速度計(jì)零偏；2）補(bǔ)償貫穿后加速度計(jì)零偏；3）補(bǔ)償靈敏度變化；4）補(bǔ)償貫穿前加速度計(jì)零偏+補(bǔ)償靈敏度變化；5）補(bǔ)償貫穿后加速度計(jì)零偏+補(bǔ)償靈敏度變化。其中，貫穿前后加速度計(jì)零偏是通過對自由飛行段的加速度計(jì)輸出平均得到；靈敏度變化是通過對膛內(nèi)加速度積分得到的出膛速度與外測的入靶速度比較得到。

由于5種補(bǔ)償方案的處理方式和結(jié)果類似，這里僅給出綜合考慮貫穿前加速度計(jì)零偏和加速度計(jì)靈敏度變化的影響，對貫穿段加速度進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果。補(bǔ)償后的貫穿段加速度如圖8所示。

圖8　補(bǔ)償貫穿前零偏和靈敏度變化后貫穿段加速度

3.2修復(fù)方案驗(yàn)證

對5種補(bǔ)償方案修復(fù)后的貫穿段沖擊加速度進(jìn)行積分和雙積分，可以得到貫穿段的彈體速度和彈體位移分別如圖9、圖10所示。

圖9　誤差補(bǔ)償后解算的貫穿段速度

圖10　誤差補(bǔ)償后解算的貫穿段位移

具體解算誤差如表1所示?？梢钥闯?，在采用積分方案求解貫穿過程的速度和位移時，其主要誤差因素有：傳感器零偏的變化（上電零偏、膛內(nèi)過載后零偏，即貫穿前零偏、貫穿后零偏）和靈敏度變化等。對比研究表明：

表1　各種補(bǔ)償方案解算誤差1）

1）傳感器零偏的變化是影響積分算法的最主要誤差因素，可以考慮在線或離線標(biāo)定。

2）傳感器靈敏度誤差對積分算法的影響相對較小，單獨(dú)對其進(jìn)行補(bǔ)償對解算結(jié)果意義不大。

3）采用對貫穿前零偏誤差和傳感器靈敏度誤差進(jìn)行補(bǔ)償后，其解算結(jié)果最優(yōu)。

4）由于貫穿后傳感器輸出抖動較大，其零偏的判斷難于貫穿前零偏誤差的確定，因此優(yōu)先對貫穿前零偏進(jìn)行補(bǔ)償，除非侵徹過程中貫穿后零偏較穩(wěn)定，則扣除貫穿后零偏誤差。

4　結(jié)束語

針對動能貫穿增強(qiáng)混凝土靶標(biāo)測試的失真沖擊加速度，本文提出利用沖擊前后自由飛行段高g值加速度計(jì)的零偏對失真加速度進(jìn)行補(bǔ)償，避免了從峰值點(diǎn)后開始?xì)w零校正可能導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不連續(xù)。提出利用外測的入靶速度作為膛內(nèi)加速過載段積分的速度參考值，對高g值加速度計(jì)靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上，可以得到5種不同的誤差補(bǔ)償方案。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，高g值加速度計(jì)零偏的變化是影響積分算法的最主要誤差因素，靈敏度變化的影響相對較小；在對貫穿前零偏誤差和傳感器靈敏度誤差同時進(jìn)行補(bǔ)償后，其解算結(jié)果最優(yōu)。彈體剛性加速度的一次積分與二次積分分別與外測的出靶速度和實(shí)際位移保持了較好的一致性，相對誤差分別為-2.7%和0.2%，能夠滿足侵徹引信炸點(diǎn)精確控制算法要求，為下一步工程實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］SIBEAUDJM，HOTTELETA，DELMAS A，et al. Kinetic energy perforation of concrete slabs：investigation of embedded high g load sensing［C］∥27th International Symposium on Ballistics Freiburg Germany April，2013：22-26.

［2］DODSONJC，WATKINSL L，F(xiàn)ELEY J R，et al. Comparative analysis of triaxial shock accelerometer output［M］.NewYork：StructuralDynamicsVolume3. Springer，2011：1529-1536.

［3］JAMES L S.Recovery of pyroshock data from distorted acceleration records［R］.Alabama USA：Marshall Space Flight Center July，1985.

［4］FRANCO R J，PLATZBECKER M R.Miniature penetrator（MINPEN）acceleration recorder development and test［R］.Albuquerque USA：Sandia National Laboratories August，1998.

［5］ROHEWR T A.Miniature single channel memory-based high-G acceleration recorder（MilliPen）［R］.Albuquerque USA：Sandia National Laboratories June，1999.

［6］范錦彪，祖靜，徐鵬，等.彈丸侵徹混凝土目標(biāo)減加速信號的處理原則［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2012，34（4）：1-5.

［7］游金川，李東杰，歐陽科，等.侵徹引信炸點(diǎn)精確控制技術(shù)研究［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，24（1）：114-118.

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［11］李蓉，陳侃，康興國，等.硬目標(biāo)侵徹引信炸點(diǎn)控制方法綜述［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2010，32（6）：1-4.

［12］胡懷春.侵徹混凝土目標(biāo)貫穿信特性分析及靶后炸點(diǎn)精確控制研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2014.

（編輯：劉楊）

Recovery of distorted shock acceleration records for investigating kinetic energy perforation of multi-layered concrete slabs

YOU Jinchuan，LI Dongjie，HUANG Shaling，ZHU Hongzhi，YANG He
（Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

The distorted penetration deceleration-time curve measured by the recorder-borne piezoresistive high-g shock accelerometer is analyzed.Zeroshift rather than the scale factor was identified as the principal factor in the integration algorithm.Furthermore，zeroshift can be canceled directly using accelerometer output in free-fly.While the scale factor error should be corrected by means of comparing the integrated velocity in barrel with the measured impact velocity.Five compensation schemes are provided.The best performance was achieved by the correction scheme which compensates the both error（zeroshift before penetration and scale factor error）simultaneously.Thesingleanddoubleintegrationsofcompensatedaccelerationwere consistent with the measured residual velocity after perforating and the displacement，and the relative errors were-2.7%and 0.2%respectively.

piezoresistive high-g shock accelerometer；kinetic energy perforation multi-layered concrete slabs；error analysis；zeroshift；scale factor

A

1674-5124（2016）10-0095-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.018

2016-03-15；

2016-04-21

中國工程物理研究院安全彈藥中心基金（RMC-2014-ZZ-A0203）；中國工程物理研究院電子工程研究所創(chuàng)新基金（S20161102）

游金川（1982-），男，四川廣安市人，工程師，博士，主要從事侵徹信號分析。