基于多信息融合的超高速侵彻引信层数识别方法.pdf
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1、第45卷第5期2023年10 月探测与控制学报Journal of Detection&ControlVol.45 No.5Oct.2023基于多信息融合的超高速侵彻引信层数识别方法邵志豪1,谢雨岑1,梁辉1,王鑫,栗建桥,张(1.机电动态控制重点实验室,陕西西安7 10 0 6 5;2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京10 0 0 8 1;3.西安机电信息技术研究所,陕西西安7 10 0 6 5)摘要:针对超高速侵彻多层复杂目标时引信过载信号混叠粘连,导致计层识别精度低、自适应差的问题,提出基于多信息融合的超高速侵彻引信层数识别方法。高电导率和磁导率的战斗部在超高速碰撞时会产生
2、显著的电磁效应,利用其侵穿过程产生的感应电场信号扩充样本容量以消除采用单一过载信号带来的随机干扰,并提高目标识别的精准性和适应性。首先对侵穿过程中的力-磁-电多物理场信号进行分析,根据电场信号与过载信号之间的相关性,采用核主成分分析算法实现多源信号的降维融合,然后基于复合信号设计识别策略来实现超高速侵彻多层靶板目标的计层。仿真结果表明,该方法可以有效识别侵穿次数、碰靶时刻且识别相对误差控制在10%以内,可以提高引信精准自主计层的能力。关键词:超高速侵彻;侵彻过载分析;感应电场;信息融合;计层识别中图分类号:TJ43High-speed Penetration Fuze Layers Ident
3、ification Method BasedSHAO Zhihao,XIE Yucen,LIANG Jianhui,GAO Wangxin,(1.Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory,Xian 710065,China;2.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;3.Xian Institute of Electr
4、omechanical Information Technology,Abstract:Aiming at the problems of low accuracy and poor adaptability of layer counting identification causedby the overlap and conglutination of overload signals when the fuze penetrates multi-layer complex targets at ul-tra-high speed,a layer identification metho
5、d for hypervelocity penetration fuze based on multi-information fusionwas proposed in this paper.The warhead with high permeability and conductivity produced significant electro-magnetic effects during hypervelocity collision.This method used the induced electric field signal generated dur-ing proje
6、ctile penetration to expand the sample capacity to eliminate the random interference caused by a signal o-verload signal,and improved the accuracy and adaptability of target recognition.Firstly,the force-magnetic-e-lectric multi-physical field signals in the process of penetration were analyzed.Acco
7、rding to the correlation be-tween the induced electric field signals and the overload signals,the kernel principal component analysis(KP-CA)algorithm was used to realize the dimensionality reduction fusion of multi-source signals.Then,based onthe composite signals,a layer identification method for h
8、ypervelocity penetration of multi-layer target was pro-posed.The simulation results showed that the proposed method could effectively identify the layers number ofpenetrations and the penetrating time,and the relative error of identification time was controlled within 10%,which could improve the abi
9、lity of accurate autonomous layer counting of the fuze.Key words:hypervelocity penetration;overload analysis;inducted electric filed;information fusion;layers i-dentification*收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 4作者简介:邵志豪(19 8 1一),男,河南许昌人,副研究员。珂1,3文献标志码:A文章编号:10 0 8-119 4(2 0 2 3)0 5-0 0 3 4-0 6on Multi-source Inform
10、ation FusionLI Jianqiao2,ZHANG Kel.3Xian 710065,China)邵志豪等:基于多信息融合的超高速侵彻引信层数识别方法350引言随着新形势下战场环境不断恶化,多层式防御工事不断向着坚固化、复杂化方向发展,对硬目标侵彻引信的作战性能要求也随之提高。超高速侵彻多层式掩体目标的精确计层起爆控制已成为硬目标侵彻引信的重要任务,精准的层数识别方法也显得愈发重要。基于超高速侵彻硬目标过程中获取的物理场信息,层数识别方法可以通过对侵彻特征信号进行提取与处理来实时判别弹药侵穿目标的层数,进而确定最佳起爆时机以完成对多层工事目标的精确打击和高效毁伤。现有侵彻引信层数识别
11、方法大多依据由加速度传感器获得的过载信号来识别弹药的动态侵彻过程。在中、低侵彻速度下,过载特征变化明显,经传统滤波方法 1-2 处理后,可以准确地辨识目标层。但当侵彻速度大幅度提高时,加速度过载信号上叠加了大量的振荡信号,高频振荡信号将目标层信息完全淹没,层间过载呈现强粘连现象,容易导致引信计层不准的问题 3。为提高计层算法的准确性和可靠性,已有公开文献提出了两种解决途径:一种是优化侵彻过载信号的获取,如机械滤波、电气滤波等,通过消除部分振动信号,降低干扰信号对目标识别精度的影响;另一种是引人信号处理方法,如变分模态分解算法 4、小波分析方法 5、自相关算法 6 等,通过凸现目标层特征,提高层
12、数识别的准确性。然而,上述方法均不能从根源处消除高频振荡信号的干扰,且受限于信号的数量及质量,仅适用于已知目标、典型工况,而对超高速侵彻环境识别多层目标的自适应性较差。弹药超高速侵彻过程中会产生较为显著的电磁效应7,当金属侵彻体侵彻每层靶板时,弹丸运动状态变化、形态结构变化、地磁场信号变化8 等将在壳体内部形成动态变化的电场,利用电磁信号作为层识别特征信号可以解决单一信号获取信息有限的问题。同时,利用多源信息的相关性可以解决信号粘连导致多层目标识别不准的问题,而目前尚未见到基于过载信号和电磁信号融合的侵彻计层相关研究。本文提出一种超高速侵彻过程电磁信号与过载信号融合的超高速侵彻引信层数识别方法
13、,利用多源信号相关特性解决过载信号粘连难辨及作战环境干扰的问题,从而实现对多层目标的精准自适应识别。1多传感信号融合侵彻计层技术1.1基于超高速侵彻电磁效应的计层原理超高速侵彻过程中,会产生显著的电磁效应 8 。超高速碰撞时产生冲击波,导致材料的高温和高压状态,侵彻战斗部和目标靶板材料会发生破碎、熔化、汽化、电离等现象,产生等离子体。侵彻战斗部在地磁场中运动时,离子受金属晶格的约束随弹体在磁场中运动,自由电子在金属壳体中流动,因而弹体中的电场将产生变化。侵彻体以超高速匀速运动时,弹体内部自由电子在外部磁场作用下,运动状态与弹体整体运动态产生差异,从而形成稳定的内建电场;当其侵彻靶板时,弹体速度
14、突然下降,内部自建平衡电场无法保持弹体和内部组件产生变化的电流密度,电场信号发生变化。因而,引信可以感知战斗部侵彻目标过程中弹体产生的变化电场强度信号,并用来识别侵穿层数。此外,如碰撞速度、靶板厚度、靶板层数等碰撞条件,会影响碰撞过程中动能向内能的转化从而影响等离子体的产生,进而影响等离子体的总电量 8。对于不同厚度的靶板来说,薄靶板碰撞时产生的等离子电荷峰值要小于中厚板碰撞产生的等离子电荷峰值;对于不同层数的靶板来说,随着碰撞次数增加,碰撞面积会增大且使得能量更利于沉积,随之将有更多的动能转化为内能,从而产生更多的等离子体 8 。因而,感知电场强度信号在提供碰靶穿层信息的同时,还可以表征侵彻
15、目标的状态。综上,利用等离子双流体模型表述侵彻体和其中自由电子气体流动 8 ,获得的电流密度为J=e(niui-neve),式(1)中,e为电子电量,n和ne分别表示离子数密度和电子数密度。离子流体速度U为侵彻弹药的速度,电子流体速度Ue受磁场、离子流体速度及靶体材料电导率、介电常数和磁导率影响。侵彻过程中变化的电场强度E可以表示为J=o(E+neXB),式(2)中,o为电导率。通过电流密度、侵彻速度和地球磁场强度可以得到侵彻过程中的电场变化。本文采用的基于超高速侵彻电磁效应的计层方法是基于侵彻战斗部侵彻多层目标过程中弹体内的电场信号,分析并提取其伪周期侵彻特征,进而识别侵彻战斗部飞行、人靶、
16、出靶历程,完成层数识别。(1)(2)361.2基于多传感信号融合的计层原理本文针对动能侵彻弹药高速侵彻多层目标时,传统侵彻计层方法所采用的单物理域传感信息对环境抗干扰能力差、数据质量可靠性低、目标特征信息提取有限,无法满足不可预测的复杂多变侵彻环境的感知要求,提出一种基于多传感信号融合的侵彻引信计层方法。区别于传统多传感信息融合方法将多个信号串行叠加为一个信号,本文方法是数据层与决策层相结合的多源信息融合模式,并基于融合结果进行计层决策,可以更好地满足实时、精准识别的要求。首先考虑过载信号和电磁感应信号间的时序相关性与互补性,利用互相关滤波算法将两路信号融合为一个信号,实现了多场信息间的动态融
17、合,从而避免关键层目标信息的丢失,也在一定程度上消除了单一信号计层不准的问题。在多层侵彻过程中,过载信号和电磁感应信号的伪周期性9 使得融合信号也具有伪周期的特征,因而可以通过特征峰判断侵彻层数10。考虑到直接采信融合结果并设定出人靶阈值来识别层目标 10 ,会将粘连过载和电磁干扰的不确定性信息引人到融合结果中且无法满足自适应识别的需求,因此本文提出的方法将基于数据层融合结果,再从决策层融合的角度分析融合信号的达峰特性进而确定计层策略。利用融合信号的一阶差分序列和序列极值差识别弹丸的人靶和出靶行为,无需根据不同侵彻工况重新调整侵彻判据(如触发阈值、信号峰值、层间延时参数等),可以适应复杂变结构
18、目标侵彻工况。本文方法对力场-磁场-电场多物理域感知信息进行融合和互补,从横向和纵向上扩大了时间、空间等多维感知范围,利用两路传感信号之间的相关性克服了单一信息存在的工作盲区,可以满足超高速侵彻引信复杂多变的感知要求。2多传感信号特性分析利用电磁感应信号和过载加速度信号实现侵彻过程中的层数识别,需要对力场-磁场-电场多物理场时空信号进行特性分析,探究多敏感信号的互关联特性,为基于多信息融合的计层算法设计提供信息支撑。本文选取6 0 0 kg大型战斗部超高速侵彻多层混凝土靶板为研究对象。采用LS-DYNA软件建立探测与控制学报弹引结构的有限元分析模型,获得战斗部17 0 0 m/s速度侵彻4层目
19、标的过载加速度信号;采用AUTODYN软件的SPH模块对超高速侵彻多层靶板进行数值模拟,获得电场强度和磁感应强度的时间序列信号。2.1侵彻过载信号特性分析首先,利用侵彻过载信号来分析弹丸超高速碰触目标、侵彻目标、穿透目标、侵出目标一系列历程,并从过载峰值、过载持续脉宽、层间系数11三个方面分析战斗部超高速侵彻多层混凝土靶板时引信过载信号的时频域特性。6 0 0 kg战斗部17 0 0 m/s速度侵彻3 m等间距4层目标的过载加速度信号如图1所示。由图1可以看出,超高速侵彻时,引信经由加速度传感器获得的过载信号上叠加了大量的振荡信号,高频振荡信号将目标层信息完全淹没,层间过载彼此粘连,呈现出强非
20、线性。尽管弹丸碰靶时过载信号幅度变化较大,过载峰值约为10.5万、15.0万、16.1万、14.5万g,便于直观地识别到4层目标,但是信号振荡明显,其过载脉宽为1.8 1、1.9 5、1.86、1.8 7 m s,难以准确地识别到碰靶时刻,且其层间系数为3 6 42 7.2 6、48 19 8.51、50 0 6 5.7 3,信号呈现强粘连性,难以清晰识别目标层。此外,过载信号存在大量的重复趋势,而其周期长度表现不尽相同,呈现出伪周期性特征 92.0101.51.00.50-1.0-1.5-2.0501234567时间/ms图1侵彻过载加速度曲线Fig.1Acceleration curve
21、of penetration overload综上,超高速侵彻过载信号具有强非线性、粘连性、伪周期性,其伪周期特征对计层识别研究具有意义,但是应力波与刚体过载的粘连特征及非线性变化使得该伪周期时间序列具有非平稳性,进而干扰伪周期特征峰的识别和滤波频率的选择。此外,每个周期段内存在过载信号的跳变,它反映了该周期段内数据总体特征 9 。因而,在未邵志豪等:基于多信息融合的超高速侵彻引信层数识别方法知过载信号动态变化的内在机理时,平滑滤除跳变信号会造成特征信号的丢失,并降低对环境抗干扰能力。2.2侵彻过程电磁感应信号特性分析超高速侵彻时,具有较高磁导率和电导率的弹体在地磁场中运动会引起较为明显的电磁
22、效应 8 。当弹体侵人靶板时,随着弹体速度的下降,压缩磁场速度发生改变,磁场持续向外扩散,空间磁场分布模式发生变化,弹体内的磁感应强度和电场强度相应发生变化。本文中,6 0 0 kg战斗部外壳和头部材料为g50钢,混凝土靶板材料为C40混凝土,均具有较高的电导率和磁导率。基于该弹靶材料,战斗部1700m/s速度正侵4层靶板,初始状态下弹体头部侵彻第1层靶板侵彻第2 层靶板Fig.3The relationship between the electromagneticfield signal characteristics and the penetration process由图2 可以看出
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