一种火炮间隙特征的检测方法

摘要

本发明公开了一种火炮间隙特征检测方法。该方法首先依据预测器和更新器各自的对称性与约束性给定元素相等的初值，再利用算子自适应算法构造最佳匹配信号特征的自适应预测器和自适应更新器，对火炮间隙响应信号进行算子自适应小波包分解与重构，得到多个频带的振动信号；然后计算各频带振动信号的能量值，取能量最大的频带为最佳检测频带，最后计算最佳检测频带上的间隙特征指标；将火炮机构间隙为0.5mm时最佳检测频带上的间隙特征指标定为阈值，若所测火炮间隙响应信号最佳检测频带上的间隙特征指标小于阈值，则火炮机构间隙合格。该检测方法结果可靠，实时性好，简单易行，适用于现场指导火炮间隙快速动态调整，提高射击精度。

主权项

1.一种火炮间隙特征检测方法，其特征在于：1)首先依据预测器和更新器各自的对称性与约束性给定元素相等的初值，利用算子自适应算法构造最佳匹配信号特征的自适应预测器和自适应更新器，对火炮间隙响应信号进行算子自适应小波包分解和重构，得到多个频带的振动信号，具体包括以下步骤：a)预测器元素个数为M_G；更新器元素个数为M_H，依据预测器和更新器各自的对称性g_-r+1＝g_r，r＝1，2，…，M_G/2h_-j+1＝h_j，j＝1，2，…，M_H/2和约束性$\underset{r=1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r=\frac{1}{2},\underset{j=1}{\overset{M_H/2}{\Sigma }}{h}_j=\frac{1}{4}$给定元素相等的初值G⁰、H⁰：$G^0={\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{M_G}& \frac{1}{M_G}& ···& \frac{1}{M_G}\end{array}\right]}_{1{\mathrm{XM}}_G}$$H^0={\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{{2M}_H}& \frac{1}{2M_H}& ···& \frac{1}{{2M}_H}\end{array}\right]}_{1{\mathrm{XM}}_H}$利用初始的预测器G⁰和更新器H⁰对原始信号x(n)进行分解，可得l层分解的细节信号D＝(d_i)_i∈Z与逼近信号S＝(s_i)_i∈Z：$\left\{\begin{array}{c}{d_i}^{\left(l\right)}={d_i}^{(l-1)}-\underset{r=-M_G/2+1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}\frac{1}{M_G}{s}_{i+r}^{(l-1)}\\ {s_i}^{\left(l\right)}={s_i}^{(l+1)}+\underset{j=-M_H/2+1}{\overset{M_H/2}{\Sigma }}\frac{1}{2M_H}{d}_{i+j-1}^{(l-1)}\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},...,n,$其中，i为样本序号，l为分解层数，d_i^(l)为l层细节信号的第i个样本，d_i⁽⁰⁾＝x_2i+1为原始信号的第2i+1个样本，s_i⁽⁰⁾＝x_2i为原始信号的第2i个样本；将所有细节信号D置零，对信号进行重构，获得重构信号：$x_i^{D=0}=s_i^{\left(1\right)}+\underset{r=1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r{s}_i^{\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},...,n$将原始信号与重构信号对比，可获得重构误差J^D＝0，再根据预测器的约束条件，可得目标函数：$J^{D=0}(g,\lambda )=E\left\{{\left[\underset{r=1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r(s_{r+i-1}^{\left(1\right)}+s_{r-i}^{\left(1\right)})\right]}^2\right\}+E\{{\left[\underset{r=1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r(s_{r+i-1}^{\left(1\right)}+s_{r+i}^{\left(1\right)})\right]}^2-s_i^{\left(1\right)}\}+\lambda (\frac{1}{2}-\underset{r=1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r)$为使J^D＝0(g，λ)最小，分别对g_r与λ求偏导数，即$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\partial J}^{D=0}(g,\lambda )}{{\partial g}_r}=0\\ \frac{{\partial J}^{D=0}(g,\lambda )}{\partial \lambda }=0\end{array}\right.,r=\mathrm{1,2},...,\frac{M_G}{2}$将上述方程求解，可获得系数由预测器的对称性，可获得自适应预测器自适应更新器H_aow的设计是将所有逼近信号S置零，然后对信号进行重构，获得新的重构信号：$d_i^{(l-1)}=d_i^{\left(l\right)}-\underset{j=1}{\overset{M_H/2}{\Sigma }}{h}_j(d_i^{\left(l\right)}+\underset{r=1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r{d}_i^{\left(l\right)}),l\ge 2$$x_i^{S=0}=d_i^{\left(l\right)}-\underset{j=1}{\overset{M_H/2}{\Sigma }}{h}_j(d_i^{\left(l\right)}+\underset{r=1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r{d}_i^{\left(l\right)}),i=\mathrm{1,2},...,n$与原始信号相比，可得重构误差J^S＝0，新目标函数为：$J^{S=0}(h,\gamma )=E\left\{{\left[\underset{j=1}{\overset{M_H/2}{\Sigma }}{h}_j(d_{i+j-1}^{\left(1\right)}+d_{i=j}^{\left(1\right)})\right]}^2\right\}+E\left\{{[\underset{j=1}{\overset{M_H/2}{\Sigma }}{h}_j(\underset{r=1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r{d}_{i+j-r}^{\left(1\right)}+\underset{r=1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{d}_{i+j-r-1}^{\left(1\right)})-d_i^{\left(1\right)}]}^2\right\}+\gamma (\frac{1}{4}-\underset{j=1}{\overset{M_H/2}{\Sigma }}{h}_j)$为使J^S＝0(h，γ)最小，分别对h_j与γ取偏导数，然后对方程求解可得系数由预测器的对称性，可获得自适应预测器b)利用算子自适应小波包对火炮间隙响应信号x(n)进行分解和重构，首先对原始信号进行分成奇偶两个序列x_o和x_e，x_o＝{x(2i+1)}，x_e(i)＝{x(2i)}，i＝1，2，…，n/2-1其中，i为子序列x_o和x_e中的样本序号，然后利用下式可获得算子自适应小波包第l层分解的各频带信号$\left\{\begin{array}{c}{x}_{l(2k-1)}\left(i\right)=x_{(l-1)\mathrm{ko}}\left(i\right)-\underset{r=-M_G/2+1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r{x}_{(l-1)\mathrm{ke}}(i+r+M_G/2-1)\\ x_{l\left(2k\right)}\left(i\right)=x_{(l-1)\mathrm{ke}}\left(i\right)+\underset{j=-M_H/2+1}{\overset{M_H/2}{\Sigma }}{h}_j{x}_{(l-1)\mathrm{ke}}(i+j+M_H/2-1)\end{array}\right.,k=\mathrm{1,2},...,2^{l-1},i=\mathrm{1,2},...,n/2^l$其中，k为分解后频带的编号，x_lko(i)即为l层k频段信号奇序列中的第i个样本；重构过程是将待重构频带信号保留，而将其它频带信号置零，按照下式进行重构，可获得2^l个频带的振动信号$\left\{\begin{array}{c}{x}_{(l-1)(k/2)e}\left(i\right)=x_{\mathrm{lk}}\left(i\right)-\underset{j=-M_H/2+1}{\overset{M_H/2}{\Sigma }}{h}_j{x}_{l(k-1)}(i+j+M_H/2-1)\\ x_{(l-1)(k/2)o}\left(i\right)=x_{l(k-1)}\left(i\right)+\underset{r=-M_G/2+1}{\overset{M_G/2}{\Sigma }}{g}_r{x}_{l(k-1)}(i+r+M_G/2-1)\end{array}\right.,k=2^l,2^{l-1},...,2,i=\mathrm{1,2},...,n/2^l$2)计算各频带振动信号的能量值，取能量最大的频带为最佳检测频带，最后计算最佳检测频带上的间隙特征指标；将火炮机构间隙为0.5mm时最佳检测频带上的间隙特征指标定为阈值，若计算最佳检测频带间隙特征指标小于阈值，则火炮间隙合格；具体包括以下步骤：a)首先，计算信号分解后第l层的2^l个频段的振动信号的能量值$E_k=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_j^2,k=\mathrm{1,2},...,2^l$$E_{\max }=\max (E_1,E_2,...E_{2^l})$算子自适应小波包对原始信号分解重构后得到2^l个频段的振动信号，每个频段的振动信号对间隙特征的反映是不同的，能量最大的频段的信号最能反映间隙特征，因此选取能量最大的频带作为最佳检测频带；b)对最佳检测频带的重构信号进行m等分，得到每等分的数据长度为n_m＝n/m，然后按照下式计算信号的间隙特征指标$e_i=\underset{j=1}{\overset{n_m}{\Sigma }}{x}_j^2,i=\mathrm{1,2},...,m$${\mathrm{en}}_i=e_i/\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{e}_i$$\mathrm{CQ}=-20\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\mathrm{en}}_i\ln \left({\mathrm{en}}_i\right)$其中e_i为每等分信号的能量值，en_i为各等分的归一化能量值，CQ为信号的间隙特征指标，将火炮机构间隙为0.5mm时最佳检测频带上的间隙特征指标定为阈值，若计算最佳检测频带间隙特征指标小于阈值，则火炮间隙合格。