基于非均勻間隔采樣的光幕過靶信號波形獲取

王 鵬，王騰飛，王宏浩，謝宏偉

（1．陸裝駐西安地區(qū)第八軍代室，西安 710000；2.徐工消防安全裝備有限公司工程制造部，江蘇 徐州 221100；3.西安應用光學研究所機載光電研發(fā)部，西安 710065）

常規(guī)武器彈丸飛行速度、彈丸飛行方位角、目標位置和多目標空間擴散動態(tài)等飛行參數(shù)測試，是評價武器毀傷性能的重要技術指標[1-2]，為武器開發(fā)研制、設計生產(chǎn)、使用和改進等提供可靠依據(jù)。由于天幕靶和光幕靶具有探測視場大、距離遠、靈活等諸多優(yōu)點，廣泛應用于多彈目標參數(shù)測試領域[3]。根據(jù)光幕陣列測量原理可知[4]，彈丸穿過光幕靶探測視場時，接收裝置接收到的光能量發(fā)生變化，光電器件將變化的光信號轉換為微弱的電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路處理并經(jīng)過模擬信號采集裝置獲取完整的過靶信號波形，采用過刻提取算法[5]以得到過靶時刻值。若彈丸依次穿過多個光幕、即一組光幕陣列時，可以得到一組過靶時刻的時間向量。通過分析計算模型[6]，最終可以得到上述重要的飛行參數(shù)。隨著高新武器不斷發(fā)展，其測試精度要求也在不斷提高。因此，必須獲取更加精確過靶信號波形，才能獲得更高精度的過靶時刻值，以此有效地滿足未來對裝備更高的測試需求。

在過靶信號波形采集方面，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)中根據(jù)提前設定的閾值輸出一個過靶數(shù)字信號，輸入計時儀后可計算相關測試參數(shù)。鄧磊剛[7]使用基于時間戳的外場分布式高速數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與天幕靶、光幕靶等區(qū)截探測器配合測量飛行目標在彈道上任意距離的飛行時間。劉澤慶等[8]通過解析高速相機捕捉的彈丸運動圖像序列的方法來還原彈丸運動軌跡方程，并求解得到彈丸的飛行速度，將試驗結果與鋁箔靶測得速度進行對比，得到的相對速度誤差小于1%。董濤等[9]對系統(tǒng)彈丸著靶坐標測量誤差進行了理論分析和仿真，重點分析和仿真了每一種誤差影響因素對系統(tǒng)最終測量誤差影響的大小和趨勢，并通過模擬實彈試驗對理論分析和Matlab 軟件仿真結果進行了驗證。但在復雜環(huán)境和多目標測試條件下由于沒有保存原始光電模擬信號，無法采用智能算法識別真實的目標信息。因此，實時并穩(wěn)定地采集、處理、儲存光電模擬信號，是準確獲取目標參數(shù)的基礎條件。提高采樣頻率可以提高數(shù)字信號波形的采樣精度，但通過單純提高采樣頻率將會大大提高靶場系統(tǒng)成本。

本文提出了一種基于非均勻采樣的過靶信號波形獲取方法，與傳統(tǒng)方法相比下，可在降低測量成本的情況下保證系統(tǒng)測量精度。

1 信號特性

如圖1 所示，光幕靶是通過探測光電二極管上光能量的變化而輸出一個交流信號。當彈丸進入光幕探測區(qū)域時，會遮擋光電二極管上接收到的光能量產(chǎn)生微弱輸出信號，經(jīng)過信號處理電路進行反向放大后的輸出信號幅值上升；當彈丸離開光幕時，光電二極管接收到的光能量逐步恢復常態(tài)，信號幅值逐步下降，并恢復到常態(tài)，此段時間內(nèi)輸出的信號稱為過靶信號。過靶信號達到的最大幅值與彈頭直徑成正比，信號寬度（Δt）與彈丸長度和飛行速度有關，如式（1）所示

圖1 光幕測速系統(tǒng)原理圖

式中：l為彈頭長度；h為光幕厚度；V為彈丸的飛行速度。

對任一單發(fā)彈丸，在給定靶距條件下，由式（1）可知穿過啟動光幕和停止光幕的時間與速度成反比。據(jù)此特征，只要確定了任一個信號為彈形信號，另一個信號必然出現(xiàn)在該速度限制范圍內(nèi)，而不在該范圍內(nèi)的信號則為干擾信號。彈丸模擬信號具有瞬態(tài)性及非周期性分布的特點。

2 工作原理

數(shù)據(jù)采集儀采集光幕靶輸出的彈丸模擬信號，采集儀得到的信號實際上是每隔一定的采樣周期天幕靶輸出的彈丸模擬信號的幅值。采樣頻率越高，采集到的信號形狀與真實信號越接近，測量精度越高，但使用較高采樣率對于采集板的性能要求較高，采集數(shù)據(jù)量大，傳輸、存儲、外理都會比較困難，且成本也大大提高；如果設置的采樣頻率過低，則采集到的信號不能很好地反映彈丸模擬信號的形狀，測量精度低。所以，選擇合適的采樣頻率對于系統(tǒng)尤為重要。

由奈奎斯特采樣定理（圖2）可知，為了重現(xiàn)原信號，采樣頻率至少應為信號最高頻率2 倍，如圖3 所示，經(jīng)理論分析驗證，系統(tǒng)精度隨著采樣頻率的提高而提高，但是當采樣頻率達到2.5 MHz 時，再提高采樣頻率，對系統(tǒng)精度的提高不是很明顯，如圖4 所示，對于絕大多數(shù)彈丸，2.5 MHz 的采樣頻率便可以完全滿足系統(tǒng)測量精度，所以系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集板的采樣頻率能夠達到2.5 MHz即可，對于彈速較低，長度較長的彈丸進行測試時，采集儀的采樣率可以適當降低，以減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理量。

圖2 利用奈奎斯特采樣定理的信號處理過程

圖3 正確采樣：最大信號小于1/2 倍采樣頻率

圖4 混疊現(xiàn)象：最大信號大于1/2 倍采樣頻率

采樣發(fā)生混疊時，將會產(chǎn)生對部分高頻信號的采樣丟失。當采用過大的采樣間隔對2 個不同頻率的正弦波采樣時，將會得到一組相同的采樣值，造成無法辯識兩者的差別，將其中的高頻信號誤認為低頻信號，于是就出現(xiàn)了所謂的混疊現(xiàn)象。頻率混疊會產(chǎn)生假頻率、假信號、會嚴重地影響測量結果。在滿足采樣定理的基礎上，采用了非對稱分數(shù)采樣來提高模擬信號的采集精度。

由圖5 的模擬信號結果可知，由于彈丸信號波形是幾乎對稱的，采用整數(shù)采樣方法采集到的結果絕大多數(shù)為重復度較高的數(shù)據(jù)；相比于正常整數(shù)采樣方法，使用非對稱分數(shù)采樣方法（圖6），可提取到更多非對稱的彈丸模擬信號，在幾乎同等成本的基礎上成倍提高了數(shù)據(jù)采集精度。

圖5 整數(shù)采樣結果圖

圖6 分數(shù)采樣結果圖

3 系統(tǒng)構成

通用靶場測試設備光電模擬信號采集系統(tǒng)由同步觸發(fā)設備、高速數(shù)據(jù)采集卡、工控機3 部分組成。

3.1 觸發(fā)設備

在試驗測試時，為保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠快速同步采集數(shù)據(jù)，本文設計了同步觸發(fā)設備用于觸發(fā)高速數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，原理如圖7 所示，以確保能夠準確采集到彈丸過靶信號，當前端火光探測器探測到槍口火光信號后，將其信號傳輸給同步觸發(fā)模塊，同步觸發(fā)模塊對信號進行整流后通過小波分析獲取采樣起始點與終止點（圖8），觸發(fā)采集卡開始采集工作，在采樣區(qū)間內(nèi)進行高頻率采樣非整數(shù)，在采樣區(qū)間外則使用低采樣頻率。同步觸發(fā)模塊電源輸入為220 V 交流電，將輸入的交流電轉換為5 V 的直流電同時為3 個74HC123D 芯片供電，3 個74HC123D 芯片將輸入觸發(fā)信號轉為TTL 信號輸出，從而觸發(fā)采集卡工作，可同時輸出2 路觸發(fā)信號完成采集卡觸發(fā)工作。

圖7 同步觸發(fā)設備原理圖

圖8 基于小波分析的采樣區(qū)間

3.2 高速數(shù)據(jù)采集卡

高速數(shù)據(jù)采集卡選用凌華科技PCI-9812 型號，數(shù)據(jù)通過采集通道進入數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部電路后完成A/D轉換、放大、緩存等功能。上位機在數(shù)據(jù)采集卡緩存中讀取轉換完成的數(shù)據(jù)并顯示在上位機可視化界面上。

PCI-9812 采集卡可實現(xiàn)5 通道采集數(shù)據(jù)，完全滿足本文設計的4 路信號采集需求，PCI-9812 采集卡可根據(jù)提供的API 函數(shù)完成對采集方式設置、采集通道設置、觸發(fā)模式設置等。

1）采集方式設置：PCI-9812 可實現(xiàn)連續(xù)連接和單次采集，連續(xù)采集用于完成彈丸過靶信號采集，單次采集主要用于測試采集卡是否正常工作。

2）觸發(fā)模式設置：PCI-9812 采集卡可實現(xiàn)外部觸發(fā)和軟件觸發(fā)，外部觸發(fā)是通過外部輸入TTL 觸發(fā)信號觸發(fā)采集卡工作，軟件觸發(fā)則是通過調(diào)用API 函數(shù)完成觸發(fā)采集卡工作，本系統(tǒng)選用外部數(shù)字觸發(fā)，通過本文設計的同步觸發(fā)設備采集到火光觸發(fā)信號來觸發(fā)采集卡工作。

3）采集通道設置：PCI-9812 可實現(xiàn)5 通道數(shù)據(jù)采集。模擬輸入信號輸入有±1 V、±5 V。每個通道可單獨采集數(shù)據(jù)，也可多通道同時采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采集通道選擇4 通道±5 V 信號輸入。

3.3 工控機

工控機選用研華610 L，通過內(nèi)置PCI 接口方便PCI-9812 采集卡插拔即插即用，其通信接口包括USB、RS232、RS485 等。工作溫度為-10～+80 ℃，產(chǎn)品尺寸為482 mm×177 mm×480 mm。工控機通PCI 接口讀取采集卡緩存中的數(shù)據(jù)，并存儲在硬盤文件中。

4 軟件設計

ACQ 數(shù)據(jù)采集處理軟件需完成數(shù)據(jù)的采集、處理、保存及可視化等功能，因此數(shù)據(jù)采集處理軟件基于VC++6.0 環(huán)境通過MFC 可視化編程及凌華公司基于PCI 總線NuDAQ 數(shù)據(jù)采集卡軟件開發(fā)套件完成上述所需功能開發(fā)，其軟件模塊組成框圖如圖9 所示。

圖9 ACQ 數(shù)據(jù)采集處理軟件框圖

4.1 參數(shù)設置模塊

如圖10 所示，參數(shù)設置模塊是為了預先設置光電信號試驗參數(shù)，包括一些參數(shù)的現(xiàn)場測量值、理論值、采集時間、延時和理論時間等數(shù)據(jù)。依據(jù)這些數(shù)據(jù)是展開測試試驗的前提，因此根據(jù)試驗環(huán)境及試驗對象的不同輸入對應的參數(shù)，才能開始試驗。

圖10 參數(shù)設置流程圖

參數(shù)設置模塊是試驗的第一步，所以該模塊應該在使用程序前確定參數(shù)，并且可以在軟件界面中顯示設置的參數(shù)信息。

4.2 測試操作模塊

測試操作模塊主要控制試驗的開始和停止。測試操作模塊主要有打開設備、關閉設備、測試環(huán)境噪聲的單次采集、開始試驗的采集功能。打開設備用來啟用軟件總體功能，并連接串口，做好初始化操作。關閉設備用來禁用軟件界面上的控制功能。開始試驗時，點擊按鈕，等待目標條件出現(xiàn)，軟件就可以自動采集數(shù)據(jù)。每次測量結果都會自動計算。當獲取到數(shù)據(jù)后可以選擇手動計算對數(shù)據(jù)處理計算，處理結果顯示到顯示模塊的列表中，并支持計算結果自動保存。測試操作模塊流程圖如圖11 所示。

圖11 測試操作模塊流程圖

4.3 信息顯示模塊

如圖12 所示，當光電探測設備捕獲到小目標的飛行觸發(fā)時刻經(jīng)過處理后，對應探測到的模擬電壓信號就可以實時顯示在軟件信號顯示單元中。小目標經(jīng)過每個探測設備的時刻值也能夠實時顯示出來。顯示模塊還有顯示切換功能，使得顯示模塊可以在電壓的模擬信號和測量數(shù)據(jù)的計算結果列表之間切換。

4.4 數(shù)據(jù)保存模塊

ACQ 數(shù)據(jù)采集處理軟件能夠對采集的原始數(shù)據(jù)進行保存，在保存數(shù)據(jù)時可以手動設置保存路徑，若沒有設置路徑則自動保存到默認路徑下，并支持打開歷史數(shù)據(jù)，方便操作。軟件有自動計算功能，可自動處理數(shù)據(jù)，保存計算結果（圖13）。

圖13 數(shù)據(jù)保存流程圖

4.5 信號顯示模塊

ACQ 數(shù)據(jù)采集處理軟件將采集的原始數(shù)據(jù)以波形的形式顯示在軟件界面上并支持查看數(shù)據(jù)的細節(jié)信息，例如數(shù)據(jù)在某一時段內(nèi)電壓值的大小。數(shù)據(jù)精確計算的結果也可以在此處顯示出來。如圖14 所示，數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后，顯示界面中會以列表的形式顯示出計算結果，具體信息包括速度、起點觸發(fā)時間、終點觸發(fā)時間、總測試時間和文件存儲路徑。這些信息可以保存在指定路徑下，可以被重新打開查看某次試驗的結果。采用TeeChart 控件顯示采集卡數(shù)據(jù)，該控件具有自動顯示數(shù)據(jù)、縮放數(shù)據(jù)、能迅速查看關鍵數(shù)據(jù)的功能；同時能顯示數(shù)據(jù)變化過程。

圖14 數(shù)據(jù)顯示流程圖

4.6 采集單元控制模塊

采集單元控制模塊主要是調(diào)用采集卡API 函數(shù)打開動態(tài)庫，創(chuàng)建系統(tǒng)對象完成系統(tǒng)識別。調(diào)用API 函數(shù)關閉動態(tài)庫。并將數(shù)據(jù)傳輸給中信號處理軟件進行顯示。由于動態(tài)庫提供的是一個個的子功能模塊。只有正確組織這些函數(shù)模塊，才能實現(xiàn)采集系統(tǒng)的控制。在組織這些模塊的時候，可以根據(jù)硬件具體性能和試驗需求使用查詢方式或是使用消息機制獲取采集卡的狀態(tài)信息。

4.7 報表生成模塊

選擇生成報告后，可激活測試報告生成向導。該向導的主要功能是以向導方式將該窗體的數(shù)據(jù)及分析結果等導出生成一個固定格式的實驗報告，當用戶確定所有設置后該向導會自動啟動Word。將實驗報告直接填寫進Word。軟件界面圖如圖15 所示。

5 試驗驗證

系統(tǒng)設計完成后，進行飛行目標光電信號采集試驗，試驗布置示意圖如圖16 所示。

圖16 試驗布置示意圖

試驗設備有四光幕天幕靶，用于采集彈丸過靶信號；天幕靶專用電源用于給天幕靶供電；觸發(fā)設備用于采集觸發(fā)信號，控制采集設備開始工作；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集、存儲、處理數(shù)據(jù)；火光探測器用于采集彈丸發(fā)射時的火光信號；探測器專用電源用于給火光探測器供電。連接好整個試驗系統(tǒng)后開始試驗，啟動觸發(fā)設備向采集卡發(fā)送外觸發(fā)信號進行采集，采集卡采集光電模擬信號，并進行存儲，獲得數(shù)據(jù)如圖17 所示。

圖17 試驗采集數(shù)據(jù)波形圖

圖17 中信號顯示單元顯示的波形為目標真實過靶信號產(chǎn)生的脈沖信號。由圖17 可知采集的波形信號會受到環(huán)境干擾產(chǎn)生噪聲，影響數(shù)據(jù)處理和計算，因此利用均值濾波算法先對信號進行去噪處理，然后對處理后的信號采用聚類算法計算出目標過靶時間，根據(jù)天幕靶之間的距離和目標過靶的時間差，可以計算出高速目標的飛行速度，并根據(jù)天幕靶的距離和角度參數(shù)來計算高速目標的坐標值。在達到同等系統(tǒng)精度要求的情況下，使用該采樣方法可將成本降低30%以上。

6 結論

為了解決傳統(tǒng)靶場測試設備需要設計專用采集系統(tǒng)的問題，本文基于非均勻采樣間隔的波形獲取方法設計了一種靶場模擬信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由同步觸發(fā)設備、高速數(shù)據(jù)采集卡、工控機和ACQ 數(shù)據(jù)采集軟件組成，可完成目標信號實時采集、顯示、處理和存儲等功能。并在外場進行試驗，完成了光電信號數(shù)據(jù)采集任務，驗證結果證明該系統(tǒng)滿足靶場設備采集處理數(shù)據(jù)要求，并且能有效降低測量成本。

當干擾信號的強度大于過靶信號時會被系統(tǒng)誤認為待采信號，后續(xù)研究中可利用AI 技術去除這些強干擾信號；小波分析也存在著局限性，雖然可以成功地進行非平穩(wěn)信號、帶有強噪聲的信號的分析與檢測，但小波變換是以傅里葉變換為理論基礎，仍然存在窗函數(shù)的局限性，無法準確描述頻率隨時間的變換。且二進小波在頻域具有明顯的移相特性，且常用的某些二進小波不具有明顯的表達式，對于信號的細節(jié)分析和時頻分析都不方便。在未來的研究中將著力改進小波分析的上述缺陷。