EEMD修正爆破加速度零漂信号中的最优白噪声系数

为了有效降低振动信号误差以提高数据的可信度，先针对花岗岩爆破试验中的加速度零漂信号，使用集合经验模态分解（ensemble empirical mode decomposition，EEMD）与高低频处理相结合的方法进行修正；接着，根据信号冲击响应谱提出表征修正前后频域平均偏差幅度的修正指数；最后，基于频域和时域分别讨论了不同白噪声系数范围内信号的修正效果。分析表明:EEMD方法能够有效地消除爆破加速度信号的零漂现象，但对积分后速度信号的零漂趋势改善有限；随着白噪声系数增大，不同频段上修正指数均不同程度地增大，二者呈现幂指数关系；根据不同频段上的修正指数分析，可以确定不同零漂加速度信号对应的最优白噪声系数范围。本文提出的修正指数可为EEMD方法处理加速度零漂信号时白噪声系数的合理选取提供参考。     

足部安装MEMS-IMU个人导航系统

为了实现室内外环境下个人自主导航,研究了足部安装的MEMS-IMU个人导航系统。根据人行走时足部具有周期性零速的特征,以加速度计输出矢量和、滑动方差和陀螺仪输出的角速度矢量和为检测量,设计了一种多条件零速检测算法,有效地提高了零速检测的准确性。针对MEMS惯性传感器零漂大、精度低的问题,导航定位算法以传统的捷联解算算法为基础,进行了适应性改进。引入零速修正(ZUPT)技术,设计了以速度信息作为伪量测的Kalman滤波器。在零速阶段对系统速度,姿态,位置误差进行估计,将估计结果反馈以修正导航解算的累积误差。实验结果表明,基于上述导航修正算法可以有效地消除MEMS惯性传感器零漂引起的累积误差,使得多组多种行走路径下系统的定位误差均小于行程的2%。     

压电智能结构冲击定位方法的实验研究

基于压电智能结构，构成冲击荷载监测系统，冲击样本的应力波信号经Hilbert变换变为连续的瞬态时序信号后，提取时间和峰值等特征信息训练BP神经网络，在线监测时由神经网络根据压电响应信号映射冲击荷载的位置。实验表明，该方法定位精度高，稳定性好，用于层合板结构低能量冲击的健康监控是可行的。     

快速付里叶变换窗函数最大信息量修正的研究

本文提出,在快速付里叶变换中应用窗函数修正时,不但要考虑窗函数本身渗漏作用的大小,而且要考虑经过修正后的“有效”信息量的因素,即要保持原有信号的最大信息量和主要信息量的效果。这对瞬态信号和变频率的非平稳随机信号分析尤为重要。文内提出了Y-1~#和Y-2~#两个新数据窗,通过对实测瞬态信号的应用,并与汉宁、哈明、余弦矩形、矩形和无窗函数作用的最大熵法(MEM)等进行了对比,取得了良好的结果。文内证明了著名的汉宁和哈明窗在分析瞬态信号时效果是不稳定的,提出了窗函数前沿陡度对渗漏、旁瓣影响不大,渗漏、旁瓣主要由窗形状和其后沿陡度决定的特性,同时给出了计算应用实例。     

基于闭环点位置控制的硅微梳齿式加速度计温漂抑制方法

环境温度的变化会造成硅微加速度计检测电路输出漂移,从而使加速度计敏感质量的闭环点位置产生漂移。通过分析闭环点位置对加速度计标度因素K1和零偏K0的影响,证明了闭环点位置漂移是造成零偏K0温漂的主要因素和标度因素K1温漂的次要因素。提出了加速度计闭环点位置控制方法,通过在环内加入控制电压可使闭环点始终工作于稳定位置。试验结果证明,该方法可显著降低零偏K0的温漂,闭环点始终位于零反馈位置时零偏K0的温漂系数可降低一个数量级,且温漂滞环可被压缩至±1 mV(±7.77 mg)以内。     

一种新型压阻加速度计

在高速碰撞等试验中经常会遇到几千个g甚至几万个g的冲击环境,对于这样大g值的测量,过去多采用压电型传感器,其中多数是用压电陶瓷作敏感元件,也有用石英晶片。前者会在高g值时出现很大的零漂和滞后现象,有时引起高达40％的误差,且其灵敏度随着g值增大有增大的现象;后者虽然能克服这两个缺点,但灵敏度又很低。     

无约束修正Timoshenko梁的冲击问题

介绍了修正后的Timoshenko梁运动方程，并比较了修正Timoshenko梁与经 典Timoshenko梁的运动方程. 推导了考虑剪切变形引起的转动惯量的修正Timoshenko 梁的正交条件，推导了集中质量对无约束修正Timoshenko梁的正碰撞对梁所引起的瞬态冲 击响应公式，并用算例进行了分析，且与集中质量对经典的无约束Timoshenko梁的正碰撞 对梁所引起的冲击响应进行了比较，另外还用算例分析了梁的刚度的变化和冲击质量比对其 冲击响应产生的影响.     

基于小波包阈值处理的光纤陀螺信号降噪

在小波变换对陀螺信号处理的基础上提出了用三层小波包消减阈值算法,处理陀螺仪的状态信号,小波包分解得到各个节点的分解系数。通过消减算法使得信号中大于阈值的瞬态高频部分置零,对消减阈值处理后的节点进行重构以消除信号中的噪声和周期分量。软阈值函数通过小波包分解的节点系数均值和方差来构建。仿真实验与已取得很好效果的强制降噪的重构信号和相应的功率谱进行比较,结果表明小波包软阈值降噪比强制降噪在随机漂移补偿上提高了13.1%,零偏改善了0.0526(°)/h。     

基于小波方差的光学陀螺随机误差特性研究

Allan方差法是对光学陀螺随机误差频率稳定性进行分析的一种通用方法。根据光学陀螺信号零漂移的频率特性,提出了利用小波变换所具有的时频局部化的优点对其随机过程进行小波方差分析。由于小波方差可以更好地防止能量泄露,所以小波方差比Allan方差更为精确。经过对光学陀螺零漂数据的方差分析证明了Allan方差和小波方差法的一致性,并且小波方差更能准确地描述不同频率的方差变化。     

光纤陀螺零偏稳定性的数据建模方法研究

光纤陀螺零偏稳定性是非系统性的随机变化漂移率,在惯性系统中不能用简单的方法加以补偿,因而其成为衡量光纤陀螺精度的重要指标。但通过时间序列分析中的数据建模方法可对光纤陀螺的零漂测试数据建立零偏稳定性数学模型。这样,在由光纤陀螺构成的惯性系统中利用卡尔曼滤波方法可使光纤陀零稳定性对系统精度的影响降至最低限度。中还对建模过程作了较详细的阐述。     

基于l2范数的EMD滤波方法在光纤陀螺信号中的应用

光纤陀螺的随机漂移限制了惯性导航系统的精度,如何减小它是一项非常艰巨的任务.结合经验模态分解(EMD)和信号与模态之间的概率密度函数,提出了一种新型的依赖Hurst指数的信号滤波方法.当H＜0.5时,利用l2范数选择出相关模态,累加并形成的部分重构方法来对光纤陀螺的信号进行滤波;当H≥0.5时,间隔阈值的经验模态(EMD-IT)被引入对相关模态进行滤波,之后按照部分重构的方法对光纤陀螺的信号进行滤波;称为混合的EMD-pdf和EMD-IT.与其它的滤波方法进行对比,如基于相关函数的EMD部分重构(EMD-cor),基于概率密度函数的EMD部分重构(EMD-pdf),仿真信号和实际数据结果表明,该混合模型的优越性,有效减小了光纤陀螺的随机误差.     

基于EMD改进算法的爆破振动信号去噪

为了解决振动信号经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)滤波去噪效果不佳的问题，提出一种自适应性正交经验模态分解(principal empirical mode decomposition, PEMD)的信号去噪方法。该算法融合了EMD分解的自适应性和主成分分析(principal component analysis，PCA)的完全正交性特点，对信号EMD分解过程中产生的模态混叠现象进行消除，得到了最佳的去噪效果。分析表明:PEMD在仿真模拟试验中相比于传统EMD算法和集总经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD) 算法，信噪比分别提高了1.15 dB和0.38 dB，且均方根误差最小；频域上PEMD对仿真信号频率(30 Hz)识别的灵敏度最高，30 Hz之外的噪声滤除效果最好。在爆破振动试验中，PEMD和EEMD去除噪声毛刺的效果较为理想，且PEMD在0～300 Hz的中低频振动信号保存效果最好，300 Hz以上的高频噪声滤除效果最好。     

B炸药爆炸过程中电磁辐射研究

炸药爆炸过程中产生明显的电磁辐射干扰在很多领域引起了重视, 爆炸产生电磁辐射的机理和理论模型都不成熟, 实验仍然是研究这一现象的重要手段. 本文设计了不同质量的B炸药爆炸电磁辐射实验, 测量了爆炸整个过程中不同时刻的电磁辐射信号. 通过小波分析方法对实测信号进行处理, 得到真实信号和信号的时频特点, 小波分析得到真实信号的频谱主要分布在0$\sim$50 kHz. 利用自主开发的EXPLOSION-3D软件对实验工况进行数值模拟, 得到爆炸过程不同时刻流场的特点. 对比实验结果和数值模拟结果得出: 第一个脉冲信号是由B炸药爆轰产生的高温高压等离子体直接产生的电磁脉冲; 第二个脉冲信号是由地面反射的冲击波追上前沿冲击波, 空气冲击波阵面处形成的等离子体产生的电磁脉冲; 第三个脉冲信号是冲击波撞击测量线圈引起的无效信号. 其中, 第一个电磁脉冲幅值与当量的1/3次方基本呈线性关系, 其到达时间对炸药药量不敏感; 第二个电磁脉冲出现的时间与炸药的当量成指数关系, 药量越大, 出现时间越晚. 通过对第二个脉冲信号的分析, 得出了冲击波反射形成电磁脉冲信号时的爆炸波流场特征, 为后续相关理论机理研究提供了验证数据.      

RESEARCH ON ELECTROMAGNETIC RADIATION DURING THE EXPLOSION PROGRESS OF COMPOSITION B EXPLOSIVES$^{\bf 1)}$

炸药爆炸过程中产生明显的电磁辐射干扰在很多领域引起了重视, 爆炸产生电磁辐射的机理和理论模型都不成熟, 实验仍然是研究这一现象的重要手段. 本文设计了不同质量的B炸药爆炸电磁辐射实验, 测量了爆炸整个过程中不同时刻的电磁辐射信号. 通过小波分析方法对实测信号进行处理, 得到真实信号和信号的时频特点, 小波分析得到真实信号的频谱主要分布在0$\sim$50 kHz. 利用自主开发的EXPLOSION-3D软件对实验工况进行数值模拟, 得到爆炸过程不同时刻流场的特点. 对比实验结果和数值模拟结果得出: 第一个脉冲信号是由B炸药爆轰产生的高温高压等离子体直接产生的电磁脉冲; 第二个脉冲信号是由地面反射的冲击波追上前沿冲击波, 空气冲击波阵面处形成的等离子体产生的电磁脉冲; 第三个脉冲信号是冲击波撞击测量线圈引起的无效信号. 其中, 第一个电磁脉冲幅值与当量的1/3次方基本呈线性关系, 其到达时间对炸药药量不敏感; 第二个电磁脉冲出现的时间与炸药的当量成指数关系, 药量越大, 出现时间越晚. 通过对第二个脉冲信号的分析, 得出了冲击波反射形成电磁脉冲信号时的爆炸波流场特征, 为后续相关理论机理研究提供了验证数据.     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

冲击波测试系统低频特性与补偿方法研究

为提高冲击波超压峰值的测量精度，多数学者把重点集中在系统高频特性研究上，以拓宽带宽的方式提高峰值测试的准确性。冲击波另外两个主要参数正压作用时间、比冲量却和测试系统的低频特性息息相关。针对实爆中出现的不同传感器正压作用时间差异较大的问题，对冲击波信号进行了边际谱分析，获得了信号的低频特性。建立了一阶参数模型来表征低频特性，通过激波管试验数据获取了7种系统的低频模型参数。采用零极点配置法设计了低频补偿模型。结果表明:冲击波测试系统低频特性严重影响冲击波信号正压作用时间测试准确性，基于低频特性补偿的数据处理方法可以有效的提高冲击波信号正压作用时间、比冲量地测试精度。     

常规武器爆炸作用下地震动的试验研究

利用ＤＡＳＰ采集分析系统对常规武器或ＴＮＴ药柱爆炸引起的地震动进行了测试分析，得出了常规武器钻地爆引起的地震动远小于地面爆引起的地震动，但钻地爆的震动主频率较低；提出了用弹塑性波动有限元对爆炸地震动进行模拟分析，并与测试结果进行了比较，效果较好。     

Effect of quasi-total internal reflection of shock waves at an interface between two elastic media

The interaction of a spherical shock stress wave generated by a point explosion with a plane interface between two elastic media with different mechanical parameters is considered. Using the method of zero approximation of ray theory, it is shown that, after passage of a shock from a medium with smaller acoustic stiffness into a medium with greater acoustic stiffness, the stresses at the front of the refracted shock tend to infinity near the points of quasi-total internal reflection, and this can result in local failure of the media. An experiment with a two-component medium water-Plexiglas confirms the theoretically predicted phenomenon with sufficient accuracy. Timoshenko Institute of Mechanics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev 252057. Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 41, No. 1, pp. 21–27, January–February, 2000.     

水下连续脉冲冲击波的声学特性

为探求金属爆炸索在水下爆炸声源研究领域的应用前景,设计了一种可以连续产生若干个脉冲冲击波的装置,称之为水下连续脉冲冲击波发生装置。利用小波分析对该装置产生的连续脉冲冲击波信号进行分解与重构,考察其频谱特性,并进一步分析了信号的声压级特性。结果表明:该装置产生的信号声压级较高,具有很强的声功率;信号包含频率十分丰富,雷管和金属爆炸索由于装药结构及传爆方式的不同,爆炸所产生的冲击波频谱特性也有所差异。雷管爆炸产生的冲击波主要分布在15.6 kHz以下的频带内,金属爆炸索爆炸产生的脉冲冲击波信号则主要分布在62.5 kHz以下的频带内;脉冲冲击波的个数和声持续时间可由爆炸索的排列方式和长度控制,脉冲冲击波间的时间间隔可调,发生装置稳定易控     

Quasi-similar solutions for blast waves with internal heat transfer effects

The point explosion problem with internal heat transfer effects taken into account is analysed. The classical inviscid solutions to this problem yield a non-physical phenomenon of infinite temperature and zero density at the center of explosion for all times. With heat transfer fluxes considered, the solution near the center of symmetry is improved and finite values for temperature are obtained. The non-self-similar solution of the problem is based on the quasi-similar approximate technique which reduces the non-linear partial differential equations governing the problem to ordinary differential ones. However, this formulation yields a two-point boundary-value problem. To facilitate the integration, the flow field is first divided into two regions: an outer inviscid region and an inner region where dissipation effects are manifested. This results in two sets of ordinary differential equations expressing the conservation equations in the inner and outer regions which are then solved and matched together to yield the composite solution. Secondly, the problem is then transformed into an initial-value one. Using the results of the composite solution, the governing equations can be integrated directly from the center until the shock front. The structure of the non-self-similar flow fields with internal heat transfer effects is then fully determined for specified values of the heat transfer parameters.