一种基于参数拟合的冲击波形峰值测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于振动冲击、机械工程领域以及计量测试技术领域，涉及一种冲击波形 的峰值测量方法，特别涉及由于机械碰撞、电气冲击、气体冲击、液体冲击、声冲击、光冲击、 爆炸等形成的冲击波形的峰值测量方法。
【背景技术】
[0002] 冲击波形属于脉冲波，脉冲峰值的计算与确定是脉冲测量中的基本问题。冲击测 量在很多情况下都和安全性以及武器装备等的毁伤性能有关。例如，人们会在航天器降落 回收时测量其落地时的最大加速度，以便评估和判定是否超出了人体和设备的承受能力极 限，并进而采取防护性技术措施；枪弹、炮弹、火箭弹等动能武器直接命中目标时，其最大冲 击加速度将体现其杀伤效果，人们需要通过测量冲击加速度的峰值等参数，以了解各种不 同型号的武器装备的杀伤力如何；头盔、安全帽等承受多大的冲击加速度能够不碎裂，体现 了其对人的保护能力，人们通过测量冲击加速度峰值可以获得该信息；而在高压电气系统 中，人们需要了解电路结构与系统在多高的冲击高电压下能够不出现飞弧、击穿等故障效 应，以便进行电气安全和防护设计。总之，人们在许多种冲击信号的测量中，都主要在关心 其冲击的峰值到底有多大。
[0003] 在冲击测量中，最终的结果即是一个物理脉冲波形。其脉冲的峰值和脉宽是其两 个基本参数，它们确定以后，主要的冲击信息基本上概括了，并可以以此为基础，进一步确 定其它冲击参数和冲击特征。如升降沿、频谱、功率谱等等。多数情况下，人们都希望单次 冲击的峰值形状比较光滑、平缓、且具有单峰特性，这样，将很容易判定峰值的位置和获得 其峰值的量值。当畸变、噪声、毛刺、振玲等在峰值附近出现时，峰值位置的确定和峰值自身 量值的测量获取就变得比较困难了。尤其是在这种情况下，人们还想获得比较高的峰值测 量准确度，将使该问题变得更加困难。为了解决这一问题，在不同行业里，人们采取的是不 同的方式。
[0004] 在无线电行业，无线电波脉冲峰值功率测量也是主要测量项目之一。为了避免 噪声、响应过冲、振玲等对峰值计算的影响，国际电工委员会（International Electro technical Commission，简称IEC)标准里定义了脉冲的"顶"、"底"等基本术语，用来描述 脉冲的峰值和谷值，并以众数法来确定脉冲的"顶"和"底"。对于方波等"顶"与"底"较平 坦的脉冲波形，该定义及方法具有优良的适应性，得以广泛应用。但对于具有比较尖顶的非 方波类冲击波形并不完全适合，主要是也面临需要较多采样点且测量准确度不高的问题。
[0005] 在振动冲击领域，面临的往往是机械工程问题，特别是高冲击情况和超高冲击情 况，由于材料和结构等冲击特性产生的类似于半正弦型脉冲，其峰值往往不平坦、不规则、 且采样测量点也不够多，这时，使用无线电行业里的众数法常常会遇到适应性较差的问题， 最直接的表现就是测量重复性较差。
[0006] 因而，在振动冲击领域，国际标准化委员会（International Organization for Standardization，简称ISO)推荐的做法是对测量的冲击波形进行滤波，将冲击波形的峰 值滤得比较平坦后再直接寻找最大值确定脉冲峰值。然而，滤波带宽的选取，以及滤波后是 否给冲击波形的峰值造成较大影响的判定，一直是困扰冲击计量的基本问题，并使得冲击 测量的准确度一直难以提高，准确度约为5 %左右。
[0007] 本发明针对上述问题，将冲击峰值测量看成是一个局域残周期正弦曲线的单峰最 优判定问题，不使用滤波等手段，从而避免了滤波器可能带来的参数变化对测量准确度的 影响，以模型参数进行最优判定，也可以对噪声、毛刺、尖峰、量化误差等影响进行一定的抑 制，从而有望获得更高的冲击峰值测量准确度。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是为了克服ISO推荐方法的需要预先滤波、从而影响测量准确度的 缺陷，以及IEC推荐方法不完全适合半正弦和高斯形状冲击波形的问题，以提高半正弦形 状类和高斯形状类冲击波形峰值测量计算的准确度为目的，提出一种基于参数拟合的冲击 波形峰值测量方法。用半正弦拟合方法确定冲击波形的峰值，并在不使用滤波器的情况下， 直接以原始采集波形数据进行最小二乘曲线拟合，获得半正弦冲击波形的峰值，以提高测 量准确度和重复性。
[0009] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0010] 一种基于参数拟合的冲击波形峰值测量方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤一、使用冲击激励源产生波形，此波形能近似于半正弦冲击激励或高斯冲击 激励。用传感器及配套波形数据采集系统进行波形测量，获得完整的冲击测量波形等间隔 采样序列。
[0012] 步骤二、用比较法获得冲击波形的最大值和最小值，截取冲击波形的最大值和最 小值之间近似半正弦部分的波形，用于峰值计算。
[0013] 通常情况下，是以峰值位置为中心，从波形最大值和最小值限定的幅度范围，从 3/4~1/10范围内由大到小顺序截取3个以上区间，并确定区间数。
[0014] 步骤三、将步骤二截取的用于峰值计算部分的近似半正弦部分波形，采用冲击波 形四参数拟合方法进行最小二乘波形拟合。具体如下：
[0015] 首先，设用于冲击波形拟合计算的等间隔采样序列（属于步骤一所获完整冲击测 量波形等间隔采样序列的一部分）为Xl，x2, ...，Xn。其部分波形最小二乘拟合曲线的函数 表达式为：
[0016]
【主权项】
1. 一种基于参数拟合的冲击波形峰值测量方法，其特征在于包括w下步骤： 步骤一、使用冲击激励源产生近似于半正弦冲击激励或高斯冲击激励的波形，用传感 器及配套波形数据采集系统进行波形测量，获得完整的冲击测量波形等间隔采样序列； 步骤二、用比较法获得冲击波形的最大值和最小值，截取冲击波形的最大值和最小值 之间近似半正弦部分的波形，用于峰值计算； 步骤=、将步骤二截取的用于峰值计算部分的近似半正弦部分波形，采用冲击波形四 参数拟合方法进行最小二乘波形拟合，获得冲击波形峰值估计值； 步骤四、判断截取峰值区间个数是否完成，若未完成，则变换所截取的峰值波形范围， 重新进行拟合运算，获得新的拟合峰值估计值和新的拟合残差有效值；若截取峰值区间个 数已经完成，则采用比较所有截取条件下各自的拟合残差有效值判断比较拟合优劣，有效 值越小则拟合效果越好，并W有效值最小为条件给出冲击峰值拟合结果，结束测量。
2. 如权利要求1所述的一种基于参数拟合的冲击波形峰值测量方法，其特征在于，所 述峰值计算W峰值位置为中屯、，从波形最大值和最小值限定的幅度范围，从3/4~1/10范 围内由大到小顺序截取3个W上区间，并确定区间数。
3. 如权利要求1所述的一种基于参数拟合的冲击波形峰值测量方法，其特征在于，所 述采用冲击波形四参数拟合方法进行最小二乘波形拟合的方法如下： 首先，设用于冲击波形拟合计算的等间隔采样序列为X。X,，...，X。，其部分波形最小二 乘拟合曲线的函数表达式为：
其中，A为拟合正弦波形幅度；《为拟合正弦波形角频率；^^为拟合正弦波形初始相 位；D为拟合正弦波形直流分量；i为采样点序号；n为采样点个数；Xi为第i个采样点；y(i) 为第i个采样点的拟合值； 然后，对等间隔采样序列X。X2, ...，X。，进行最小二乘正弦曲线拟合，过程如下： 设冲击波形采样速率为V，将冲击波形峰值附近波形按照正弦波规律进行四参数拟合， 其待估计的正弦波频率目标值为f。，周期为町二1/f。，则角频率目标值为《c=23ifyv，待 估计的正弦波采样序列所含信号波形占用时间长度为T;则有T;寻找参 数q，使得T/T〇>q;因而f[q/T，2/T]; 山设定拟合迭代停止条件为h。； 口)从已知时刻ti，*2, . . .，t。的冲击波形采集样本X。X2, . . .，X。，使用计点法获得信号波 形占用时间长度为T= (n-l)/v;估计因子q，确定目标频率f。的存在区间[q/T，2/T]; 樹确定迭代左边界频率屯=q/T;?L=23lf/v;迭代右边界频率；fK=2/T; ?K= 2 31fe/v;按照优选法原则选取中值频率；WM=W1+0. 61SX〇厂《L) ;WT= ?E-〇. 618X(?j(-?l); (4化《止执行S参数正弦曲线拟合，获得A。化、町、在《E上执行；参数正弦 曲线拟合，获得V卿、恥、P在《M上执行S参数正弦曲线拟合，获得AM、觀、Dm、PM;在 ?T上执行S参数正弦曲线拟合，获得AT、^^'^、Dt、Pt; 脚若Pm<Pt，贝1]P=Pm，有w〇E[?t，wJ，"l=wt，"t=wm;wm= ?L+〇.618XO厂《L);若Pm〉Pt，则P=Pt，有W〇E[?L，"M]，Wr=WM，"M=W1^; "T二WR-〇.618X(?J(-?L); 做判定是否I(Pii(k)-PT(k))/PT(k)I<h。，如果是，则停止迭代，并且当p=Pt时， 获得四参数拟合正弦曲线参数为A=At、《 = ?T、庐=货、D=DtW及拟合残差有效值P， 拟合过程结束；当P=PM时，获得四参数拟合正弦曲线参数为A=AM、《 = D=Dm、W及拟合残差有效值P，拟合过程结束；否则，重复(4)~做过程； 所述拟合残差有效值P为：
当采样序列中仅含有噪声因素误差时，P即为叠加在正弦波形之上噪声的实验标准偏 差。
【专利摘要】本发明涉及一种基于参数拟合的冲击波形峰值测量方法，属于振动冲击、机械工程领域以及计量测试技术领域。具体方法为使用冲击激励源产生冲击激励，用传感器及配套波形数据采集系统进行波形测量，获得完整的冲击测量波形等间隔采样序列；用比较法获得冲击波形的最大值和最小值；从冲击测量波形等间隔采样序列中截取最大值和最小值之间靠近峰值附近的近似半正弦部分波形用于峰值计算；用正弦波拟合方法进行冲击波形峰值的四参数拟合过程；以拟合正弦波幅度值和直流分量迭加计算冲击测量波形峰值；给出拟合残差有效值作为峰值拟合优劣的辅助判据。具有不需要峰值滤波器，准确度和分辨力更高的计算效果。
【IPC分类】H03K5-1532
【公开号】CN104796116
【申请号】CN201410384342
【发明人】梁志国, 李新良, 朱振宇
【申请人】中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2014年8月6日