2024年5月26日发(作者：邛梦云)
第３Ｏ卷第３期 弹箭与制导学报
ＶｏＩ．３Ｏ Ｎｏ．３
２ＯｌＯ年６月
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ，Ｒｏｃｋｅｔｓ，Ｍｉｓｓｉｌｅｓ ａｎｄ Ｇｕｉｄａｎｃｅ
Ｊｕｎ ２０１０
爆炸冲击波测试数据处理方法研究
张立恒 ，王少龙 ，颜 澎 ，周保顺
（１第二炮兵装备研究院．北京 １０００８５；２第二炮兵工程学院．西安７１００２５）
摘 要：通过对爆炸冲击波测试信号常规处理方法的分析．提出了一种基于傅里叶分析的高低通滤波测试信
号处理方法。该方法可以将冲击波信号从包含有大的背景噪声干扰的实测信号中提取出来，对爆炸波信号的
处理具有很好的可操作性，其可行性与有效性在爆炸实验中得到了验证。
关键词：爆炸测试；爆炸冲击波；数据处理；滤波
中图分类号：ｏ３８ 文献标志码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｂｌａｓｔ Ｗａｖｅ Ｔｅｓｔ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ
ＺＨＡＮＧ Ｌｉｈｅｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｓｈａｏｌｏｎｇ 。ＹＡＮ Ｐｅｎｇ ，ＺＨＯＵ Ｂａｏｓｈｕｎ。
（１ Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ａｃａｄｅｍｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８５．Ｃｈｉｎａ；
２ Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ．Ｘｉ’ａｎ ７１００２５。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｂｌａｓｔ ｔｅｓｔ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａ ｈｉｇｈ—ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｌｏｕｒｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｆｈｉｓ ｎｅｗ ｂｌａｓｔ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｘｔｒａｃｔ ｔｈｅ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｉｇｎａｌ
ｔｈａｔ ｃｏｎｔａｉｎｓ ｌａｒｇｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｂｌａｓｔ ｗａｖｅ ｔｅｓｔ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌ—
ｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｌａｓｔ ｔｅｓｔ；ｂｌａｓｔ ｗａｖｅ；ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ
可以通过软件进行设置。压电传感器安装在数字压力
０ 引言
炸药爆炸冲击波的正压峰值、正压作用时间、初
始衰减系数、正相冲量等是对爆炸威力进行评估的主
要参数，在武器性能评估中具有十分重要的应用价
值。目前测量爆炸冲击波的常用方法有自由场式和
记录仪前面板中心，传感器端面和压力仪前面板平齐。
回
～
５Ｉ１１一 丑
ｏ ｏ ｏ Ｏ ｏ ｏ ｏ Ｏ
…３ｍ ３ｍ
５ｍ ６１１１ ８ｍ Ｊ Ｏｍ １ ２ｍ ｌ ４１１１ Ｊ ７Ｉｌｌ ２０Ｉｌｌ
壁面反射式，由于这两种方法所测得的波形不可避免
的叠加有振荡、过冲等干扰噪声，所以由传感器获得
的信号不能直接使用，需要经过处理和加工。文中主
要研究爆炸冲击波的测量技术以及对测试信号进行
处理的方法。
图１传感器场地布置不意图
试验中所用炸药为３０ｋｇＴＮＴ圆柱铸装炸药，装
药半径约为ｌ５ｃｍ。试验炸药放置在木支架上，保证
１ 试验
试验的目的是获取炸药爆炸冲击波在不同距离
上的时间一压力曲线。测试时所用到的设备主要有：８
炸药柱的轴线与地面垂直，炸药中心距地面约１．２ｍ。
８个数字压力记录仪分别安放在距炸药垂心的５ｍ、
６ｍ、８ｍ、１０ｍ、１２ｍ、１４ｍ、１７ｍ、２０ｍ处，如图ｌ所示。
个ＤＰＲＢ一０７３５型壁面式数字压力记录仪，采样频率
１Ｍ￣２Ｍ，分辨率１０７～１９８ Ｐａ／ＬＳＢ￣带有测试数据
读取和分析软件的笔记本电脑一台；同步信号电缆。
数字压力记录仪具有自触发和自存储功能，触发阈值
＊收稿日期：２００９一Ｏ７一Ｏ９
２理想爆炸冲击波及修正的Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ
方程
假设爆炸在静止、均匀的大气中发生，爆炸源是
作者简介：张立恒（１９８４一）．男．河北晋州人．硕士研究生，研究方向：火炮与武器自动化。
・
１Ｏ８ ・ 弹箭与制导学报 第３０卷
球对称的，这时冲击波压力可以用离开爆源中心的距
离ｒ和时间￡的
函数Ｐ（ｒ，￡）描
述。在这种理想
情况下，某一给
定距离ｒ处记录
下的压力一时间
历程如图２所
示。距离爆炸源 图２ 理想爆炸波剖面图
ｒ处的爆炸冲击波可以用以下几个主要参数描述：冲
击波到达时间ｔ。，正压超压峰值Ｐ＋，正压作用时间
ｒ，正相冲量Ｊ＋，负压超压峰值Ｐ一，负压作用时间
ｒ，负相冲量ｒ，正负相冲量分别为：
ｒｌ＋丁Ｉ十
ｒ—Ｉ‘ Ｅｐ（ｔ）一Ｐ。］出
Ｊ ｔｄ
ｒＩ＋ ＋丁一
ｒ—Ｉ‘
ＪｌＢ十
ｊ
ＥＰ０一ｐ（ｔ）］ｄｔ
其中：Ｐ 、 和Ｊ＋是爆炸冲击波测试中最重要的参
数，爆炸冲击波测量的主要目的也是获得这几个参
数。对于理想爆炸冲击波，爆炸波从最大值衰减到环
境压力的压力时间曲线近似服从修正的Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ
方程［ ：
ｐ（￡）一Ｐｏ＋Ｐ＋（１一￡／ ）ｅｘｐ（一ａｔ／ ）
其中：ｐ为ｔ时刻的压力，ａ是爆炸波波形参数。此时，
冲击波正压冲量ｒ可以由下式计算：
ｒ—Ｐ ｛１／ａ一１／ａ。［１一ｅｘｐ（一ａ）］）
该方程可以很好的描述冲击波的衰减特性，在工
程中得到了广泛应用。
３冲击波测试数据处理
由于实测波形叠加有振荡、过冲及干扰噪声，所
以必须对所采集信号进行处理以获取准确的参数值。
实验中，爆炸会产生ｓ
电磁波，也会造成测试系
统的振动 电磁波和振动
加上测试环境的一些不确 ｉ
定量，将对测试结果造成
很大影响Ｌ２］。图３所示为
某次试验５ｍ处的爆炸波 图３实验爆炸剖面图
实测信号。从图中可以看出，爆炸波到达测试点之
前，传感器测得的信号为外界环境压力（采集的数据
为０ｋＰａ），所受干扰信号比较小；而当爆炸波到达之
后，传感器受到强烈冲击和电磁干扰，测试信号中夹
杂着强烈的干扰信号，从测试数据中可以看到干扰信
号对所测信号的影响很大，而且出现明显的周期波动
性。所以，对测试信号进行处理时需要分段考虑：对
于冲击波到达前的信号可以用低通滤波器进行滤波；
而对于冲击波到达后的信号，由于干扰比较大，处理
也比较困难。冲击波到达后的衰减信号和一般信号
相比：前沿更加陡峭、后沿更加平坦，频谱由零延伸到
接近无穷，是一种陡前沿、宽时域的广谱信号【３］。对
冲击波衰减信号常用的方法主要有拟合法和滤波
法 。
３．１ Ｅｔｈｒｉｄｇｅ拟合方法［５
Ｅｔｈｒｉｄｇｅ在１９６５年提出了一种基于经验的炸药
爆炸试验中对测试信号进行判读和滤波的方法，在爆
炸波信号分析中得到了广泛应用。该方法先从测试信
号中推断正压峰值Ｐ＋、正压作用时间ｒ和波形参数
ａ的值，再代入修正的Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ方程就得到所测位
置的理想超压衰减曲线。其中，爆炸波正压作用时间
ｒ可以在测试曲线上直接读取，正压峰值Ｐ十和波形
参数ａ值的确定需要由下面几步进行判读：首先，在
爆炸波衰减初期即￡《 时，爆炸波超压衰减的对数
值ｉｎ户和时间ｔ成线性关系即： 一Ｉｎ Ｐ一一 ／ｒ＋
ｌｎ（Ｐ ）＝：： ・ｔ＋ｂ；其中：ｍ为斜率；６为截距。取爆炸
波衰减初期很短一段时间内的超压测试信号段，对这
段信号的超压值取对数，再用最小二乘法对时间进行
拟合，得出 和ｂ的值；由ｂ的值可以推算出正压峰值
Ｐ＋的值，即Ｐ 一ｅ 。
波形参数口决定了冲击波的衰减趋势，Ｅｔｈｒｉｄｇｅ
注意到整个爆炸波压力时间曲线半对数图的趋向为
一
条直线，可以根据冲击波测试信号的总体趋势对波
形参数ａ进行求取。具体方法为：画出超压和时间的
半对数图，用一阶最小二乘法拟合时间和超压的对数
值，得出时间和超压的对数值之间的关系：Ｉｎ ＝Ｃｏｔ
＋Ｃ 。由于爆炸波的衰减趋势服从户一Ｃ＊ｅｘｐ
（一ａ ／丁斗） ｌｎ ｊｃ＇一一 ／ ＋ｌｎ Ｃ，因此可以得出爆
炸波的波形参数ａ＝＝＝一Ｃ。・ｒ。
该方法可以把所采集到的信号变换成理想的爆
炸波波形，但是在具体应用时比较耗时，而且容易产
生一些人为误差。因为在进行正压峰值和波形参数
判读时，测试信号段的选取需要人工干预，而且没有
量化标准进行判断，所以不同的人选取不同的信号段
就可能会得到不同的结果。
第３期 张立恒等：爆炸冲击波测试数据处理方法研究 ・ １Ｏ９ ・
３．２高低通交换滤波方法
滤波是数字信号处理中一种基本而重要的技术，
利用滤波可以从复杂信号中提取所需要的信号，抑制
不需要的部分。经典的滤波器主要有低通、高通、带
阻和带通四种。滤波时总是假定输入信号中的有用
成分和希望去除的成分各自占有不同的频率带。但
是，在实际爆炸波测试中信号的有用成分和噪声所占
据的频率带是交叉的，单纯用经典的滤波器进行滤波
不能得到理想的效果。考虑到对所滤波的超压信号
有一定的先验信息，所以可用低通滤波方法结合所测
信号的先验信息对所测信号进行综合处理。
由经验可知爆炸波的衰
．
减服从指数分布，这里假定：：
爆炸波衰减服从Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ重；
方程。分别对Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ
方程和测试信号进行傅里叶
变换，得到它们的频谱曲
线。从频谱对比图４中可 图４频谱对比图
以看出它们的频谱特性完全相同；而且，根据数字滤
波器设计原理可知爆炸波衰减主要由低频部分控制。
所以，在对爆炸波测试信号进行处理滤波器设计时，
让测试信号的低频部分直接通过，而高频信号用经验
方程的高频频谱替代，具体流程如图５。
图５ 高低通交换滤波流程
由初始的测试信号可以得到所采用经验函数的
初始参数。对于一般的低通滤波器设计，低通滤波截
止频率的选择非常重要，但是，由于本方法并不是单
纯的低通滤波器，严格来说并不存在低通滤波截止频
率，而是高低通交换频率。图６为对信号用不同高低
通频率进行滤波的结果对比图。从图中可以看出高
低通交换频率对滤波器设计有很大影响，频率越低所
得到的结果和理想爆炸波的波形越接近，而频率越高
所得到的结果和实测信号越接近。在实际应用中可
以根据不同要求具体设定。
用傅里叶分析方法结合理想爆炸波经验方程对
所测试信号进行分析，既对高频杂波进行了过滤，又
保持了爆炸波衰减特性，得到了比较理想的爆炸波波
形。进一步基于该
方法用ＭＡＴＬＡＢ
编写了数据读取程
序，可以对采集到的
进行信号快速分析。
表１为在本次试验
中用该方法得到的
超压峰值、正相冲
图６不同高低通交换
量、正压作用时间和
频率对比图
直接读取得到的结果。
表１通过高低通交换滤波方法得到的
测试爆炸波参数
图７为用 ６００
－－－
ｅ ｘｐｅ ｒ
一
Ｅｔｈｒｉｄｇｅ拟合方法和 。。
。
！ｉ ｍｅｎｔ ｉａｌ ｄＩ
高低通交换滤波方霎３ｏ。
ｌ
法对测试数据进行 ２００
处理的对比图，从图 ｌ ００
’
＝＝＝＝！寰
中可以看出同用 ｏ
．
～
Ｅｔｈｒｉｄｇｅ拟合方法
得到的爆炸波曲线
图７两种方法得到的爆
相比，该方法得到的
炸波曲线对比图
爆炸波曲线可以更好的体现实际爆炸波的衰减特性。
４ 小结
在爆炸实验中，由于测得的信号夹杂着噪声，因
此必须进行光滑滤波处理。通过对现有爆炸波测试
方法的分析，提出了一种基于傅里叶分析对测试信号
进行滤波的高低通交换滤波方法。该方法不仅克服
了用Ｅｔｈｒｉｄｇｅ拟合方法进行滤波时繁杂耗时的人工
判读程序，并且可以根据需要改变高低通交换频率的
值来得到不同的滤波效果。基于该方法应用ＭＡＴ—
弹箭与制导学报 第３Ｏ卷
ＬＡＢ程序编写了相关程序，通过对ＴＮＴ爆炸试验得
爆炸力学实验技术学术会议论文集：２９４一Ｚ９８．
到测试信号的分析可以看出该方法具有很好的可操
［４］
冯地清。缪常，赵明，等．核爆炸信号参数化方法及其应
作性。
用［Ｊ］．电子科学学刊．１９９３。１５（４）：３８２—３８７．
［５］
ＳＴＥＶＥＮ Ｒ Ｓａｍｕｅ１．Ｂｌａｓｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｇｌａｚｉｎｇ ｔｅｓｔｓ［Ｄ］．
参考文献： 一
Ｔｅｘａｓ：Ｔｅｘａｓ Ｔｅｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００３．
１－１３ Ｍ Ｍ Ｉｓｍａｉｌ．Ｓ Ｇ Ｍｕｒｒａｙ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｗａｖｅ ｐａ—
［６］
Ｎ Ｍ Ｅｔｈｒｉｄｇｅ．Ａ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｆｏｒ ｒｅａｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ
ｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｒｏｍ ｓｍａｌｌ ｓｃａｌｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ．
ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｔｉｍｅ ｄａｔａ ｆｏｒ Ｈ．Ｅ．ａｎｄ ｎｕｃｌｅａｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ Ｎｏ．
Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ．Ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ，１９９３。１８（１）：１ｌ一１７．
１６９１［Ｒ］．Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ
［２］毛婧．韩焱．小波分析在爆炸冲击波信号处理中的应用
Ｒｅｐｏｒｔ Ａｂｅｒｄｅｅｎ Ｐｒｏｖｉｎｇ Ｇｒｏｕｎｄｓ．Ｍａｒｙｌａｎｄ，１９６５．
ＥＪ］．弹箭与制导学报．２００７，２７（４）：１３７—１４４．
［３］李国强．爆炸冲击波测试的干扰问题［ｃ］／／第三届全国
－＋一＋”＋一十－－４－一＋－＋
（上接第１０４页）
究［Ｊ］．爆破器材．２００４．３３（】）：３２－－３５．
计算结果为：ｒ一３．３７ｍｓ
张清泰．无线电引信总体设计原理［Ｍ］．北京：国防工业
］ ］
‘竺ｆ
出版社。１９８５．
］
］ ］
４ 结论
董秋仙，刘卫东．张少文．等．攻击单元延时起爆时间的
确定［Ｊ］．火力与指挥控制，２００８．３３（５）：３３—３５．
为满足最佳延时起爆时间的要求，从引信启动到
张少文，董秋仙，顾文彬．等．攻击单元与目标交汇准则
射流刀形成的时间应在３．３７～８．６７ｍｓ范围内。ｒ为
的研究［Ｊ］．南昌大学学报（工科版）．２００７，２９（１）：１６一
引信启动到形成射流刀的时间，该时间为引信控制线
ｌ９．
路惯性时间、爆炸序列作用时间、战斗部形成射流刀
孟湘红。刘培志．空间交会定向战斗部引信系统的时间
时间的总和。从分析计算结果看，对线性切割器的姿
匹配特性研究［Ｊ］．现代引信，１９９７，１９（１）：１７—２１．
态控制要求很高，即对线性切割器的射角要有很准确
朱景伟，谭惠民，樊印海．求解定向战斗部最佳起爆延迟
的控制，为很好满足引爆时间的最佳匹配特性需要有
时间和起爆方位的一种方法［Ｊ］．宇航学报，２００３，２４（２）：
更精确的随动系统。
１９８—２０１．
参考文献：
［１］纪冲，杨旭。刘建青．线性切割器在聚能爆破中的应用研
一＋“＋一＋一＋－＋一＋
（上接第１０６页）
１９９２：ｌ一５．
［２］ 谭显祥．高速光学测试设备的进展［ｃ］／／第一届测试技
３ 结论
术会议论文集，２００１：４—８．
Ｓ一１５０型高速分幅相机，在提高了时间信息率
［３］ 李剑．畅里华，谭显祥．ＦＪＺ—ｉ０００型超高速转镜分幅相
机及其应用口］．爆炸与冲击．２００５．２５（６）：５７４—５７６．
的同时，又提高了空间信息量，且采用新型ＰＣ机控
［４］
Ａｄａｍａｓ Ｌ．Ｗｈｉｔｅ ｓａｎｄｓ ｔａｒｇｅｔｓ ｃａｍｅｒａ ｕｐｇｒａｄｅｓ［－ＥＢ／
制系统，使整机性能达到了国内同类相机的领先水
ＯＬ］．２００８—０６—０８［２００９—０２—０４］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｄ—
平。由于相机摄影频率可在近２个数量级内变化，因
ｖａｎｃｅｄｉｍａｇｉｎｇｒｐｒｏ．ｃｏｍ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ／ｂｉｏ．ｊｓｐ？ｌｄ＝
而适用于各种高、低随机过程的实验研究，在常规兵
２Ｏ＆ｐｕｂｌｄ＝３．
器战斗部实验中得到了广泛的应用。
［５］ 赵峰，王彦平．龚晏青．等．水中射流的观测［ｃ］／／第四届
参考文献：
全国爆炸力学实验技术学术会议论文集．２００６：３１９—
３２２．
［１］谭显祥．光学高速摄影测试技术［Ｍ］．北京：科学出版社，
2024年5月26日发(作者：邛梦云)
第３Ｏ卷第３期 弹箭与制导学报
ＶｏＩ．３Ｏ Ｎｏ．３
２ＯｌＯ年６月
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ，Ｒｏｃｋｅｔｓ，Ｍｉｓｓｉｌｅｓ ａｎｄ Ｇｕｉｄａｎｃｅ
Ｊｕｎ ２０１０
爆炸冲击波测试数据处理方法研究
张立恒 ，王少龙 ，颜 澎 ，周保顺
（１第二炮兵装备研究院．北京 １０００８５；２第二炮兵工程学院．西安７１００２５）
摘 要：通过对爆炸冲击波测试信号常规处理方法的分析．提出了一种基于傅里叶分析的高低通滤波测试信
号处理方法。该方法可以将冲击波信号从包含有大的背景噪声干扰的实测信号中提取出来，对爆炸波信号的
处理具有很好的可操作性，其可行性与有效性在爆炸实验中得到了验证。
关键词：爆炸测试；爆炸冲击波；数据处理；滤波
中图分类号：ｏ３８ 文献标志码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｂｌａｓｔ Ｗａｖｅ Ｔｅｓｔ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ
ＺＨＡＮＧ Ｌｉｈｅｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｓｈａｏｌｏｎｇ 。ＹＡＮ Ｐｅｎｇ ，ＺＨＯＵ Ｂａｏｓｈｕｎ。
（１ Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ａｃａｄｅｍｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８５．Ｃｈｉｎａ；
２ Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ．Ｘｉ’ａｎ ７１００２５。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｂｌａｓｔ ｔｅｓｔ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａ ｈｉｇｈ—ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｌｏｕｒｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｆｈｉｓ ｎｅｗ ｂｌａｓｔ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｘｔｒａｃｔ ｔｈｅ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｉｇｎａｌ
ｔｈａｔ ｃｏｎｔａｉｎｓ ｌａｒｇｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｂｌａｓｔ ｗａｖｅ ｔｅｓｔ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌ—
ｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｌａｓｔ ｔｅｓｔ；ｂｌａｓｔ ｗａｖｅ；ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ
可以通过软件进行设置。压电传感器安装在数字压力
０ 引言
炸药爆炸冲击波的正压峰值、正压作用时间、初
始衰减系数、正相冲量等是对爆炸威力进行评估的主
要参数，在武器性能评估中具有十分重要的应用价
值。目前测量爆炸冲击波的常用方法有自由场式和
记录仪前面板中心，传感器端面和压力仪前面板平齐。
回
～
５Ｉ１１一 丑
ｏ ｏ ｏ Ｏ ｏ ｏ ｏ Ｏ
…３ｍ ３ｍ
５ｍ ６１１１ ８ｍ Ｊ Ｏｍ １ ２ｍ ｌ ４１１１ Ｊ ７Ｉｌｌ ２０Ｉｌｌ
壁面反射式，由于这两种方法所测得的波形不可避免
的叠加有振荡、过冲等干扰噪声，所以由传感器获得
的信号不能直接使用，需要经过处理和加工。文中主
要研究爆炸冲击波的测量技术以及对测试信号进行
处理的方法。
图１传感器场地布置不意图
试验中所用炸药为３０ｋｇＴＮＴ圆柱铸装炸药，装
药半径约为ｌ５ｃｍ。试验炸药放置在木支架上，保证
１ 试验
试验的目的是获取炸药爆炸冲击波在不同距离
上的时间一压力曲线。测试时所用到的设备主要有：８
炸药柱的轴线与地面垂直，炸药中心距地面约１．２ｍ。
８个数字压力记录仪分别安放在距炸药垂心的５ｍ、
６ｍ、８ｍ、１０ｍ、１２ｍ、１４ｍ、１７ｍ、２０ｍ处，如图ｌ所示。
个ＤＰＲＢ一０７３５型壁面式数字压力记录仪，采样频率
１Ｍ￣２Ｍ，分辨率１０７～１９８ Ｐａ／ＬＳＢ￣带有测试数据
读取和分析软件的笔记本电脑一台；同步信号电缆。
数字压力记录仪具有自触发和自存储功能，触发阈值
＊收稿日期：２００９一Ｏ７一Ｏ９
２理想爆炸冲击波及修正的Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ
方程
假设爆炸在静止、均匀的大气中发生，爆炸源是
作者简介：张立恒（１９８４一）．男．河北晋州人．硕士研究生，研究方向：火炮与武器自动化。
・
１Ｏ８ ・ 弹箭与制导学报 第３０卷
球对称的，这时冲击波压力可以用离开爆源中心的距
离ｒ和时间￡的
函数Ｐ（ｒ，￡）描
述。在这种理想
情况下，某一给
定距离ｒ处记录
下的压力一时间
历程如图２所
示。距离爆炸源 图２ 理想爆炸波剖面图
ｒ处的爆炸冲击波可以用以下几个主要参数描述：冲
击波到达时间ｔ。，正压超压峰值Ｐ＋，正压作用时间
ｒ，正相冲量Ｊ＋，负压超压峰值Ｐ一，负压作用时间
ｒ，负相冲量ｒ，正负相冲量分别为：
ｒｌ＋丁Ｉ十
ｒ—Ｉ‘ Ｅｐ（ｔ）一Ｐ。］出
Ｊ ｔｄ
ｒＩ＋ ＋丁一
ｒ—Ｉ‘
ＪｌＢ十
ｊ
ＥＰ０一ｐ（ｔ）］ｄｔ
其中：Ｐ 、 和Ｊ＋是爆炸冲击波测试中最重要的参
数，爆炸冲击波测量的主要目的也是获得这几个参
数。对于理想爆炸冲击波，爆炸波从最大值衰减到环
境压力的压力时间曲线近似服从修正的Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ
方程［ ：
ｐ（￡）一Ｐｏ＋Ｐ＋（１一￡／ ）ｅｘｐ（一ａｔ／ ）
其中：ｐ为ｔ时刻的压力，ａ是爆炸波波形参数。此时，
冲击波正压冲量ｒ可以由下式计算：
ｒ—Ｐ ｛１／ａ一１／ａ。［１一ｅｘｐ（一ａ）］）
该方程可以很好的描述冲击波的衰减特性，在工
程中得到了广泛应用。
３冲击波测试数据处理
由于实测波形叠加有振荡、过冲及干扰噪声，所
以必须对所采集信号进行处理以获取准确的参数值。
实验中，爆炸会产生ｓ
电磁波，也会造成测试系
统的振动 电磁波和振动
加上测试环境的一些不确 ｉ
定量，将对测试结果造成
很大影响Ｌ２］。图３所示为
某次试验５ｍ处的爆炸波 图３实验爆炸剖面图
实测信号。从图中可以看出，爆炸波到达测试点之
前，传感器测得的信号为外界环境压力（采集的数据
为０ｋＰａ），所受干扰信号比较小；而当爆炸波到达之
后，传感器受到强烈冲击和电磁干扰，测试信号中夹
杂着强烈的干扰信号，从测试数据中可以看到干扰信
号对所测信号的影响很大，而且出现明显的周期波动
性。所以，对测试信号进行处理时需要分段考虑：对
于冲击波到达前的信号可以用低通滤波器进行滤波；
而对于冲击波到达后的信号，由于干扰比较大，处理
也比较困难。冲击波到达后的衰减信号和一般信号
相比：前沿更加陡峭、后沿更加平坦，频谱由零延伸到
接近无穷，是一种陡前沿、宽时域的广谱信号【３］。对
冲击波衰减信号常用的方法主要有拟合法和滤波
法 。
３．１ Ｅｔｈｒｉｄｇｅ拟合方法［５
Ｅｔｈｒｉｄｇｅ在１９６５年提出了一种基于经验的炸药
爆炸试验中对测试信号进行判读和滤波的方法，在爆
炸波信号分析中得到了广泛应用。该方法先从测试信
号中推断正压峰值Ｐ＋、正压作用时间ｒ和波形参数
ａ的值，再代入修正的Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ方程就得到所测位
置的理想超压衰减曲线。其中，爆炸波正压作用时间
ｒ可以在测试曲线上直接读取，正压峰值Ｐ十和波形
参数ａ值的确定需要由下面几步进行判读：首先，在
爆炸波衰减初期即￡《 时，爆炸波超压衰减的对数
值ｉｎ户和时间ｔ成线性关系即： 一Ｉｎ Ｐ一一 ／ｒ＋
ｌｎ（Ｐ ）＝：： ・ｔ＋ｂ；其中：ｍ为斜率；６为截距。取爆炸
波衰减初期很短一段时间内的超压测试信号段，对这
段信号的超压值取对数，再用最小二乘法对时间进行
拟合，得出 和ｂ的值；由ｂ的值可以推算出正压峰值
Ｐ＋的值，即Ｐ 一ｅ 。
波形参数口决定了冲击波的衰减趋势，Ｅｔｈｒｉｄｇｅ
注意到整个爆炸波压力时间曲线半对数图的趋向为
一
条直线，可以根据冲击波测试信号的总体趋势对波
形参数ａ进行求取。具体方法为：画出超压和时间的
半对数图，用一阶最小二乘法拟合时间和超压的对数
值，得出时间和超压的对数值之间的关系：Ｉｎ ＝Ｃｏｔ
＋Ｃ 。由于爆炸波的衰减趋势服从户一Ｃ＊ｅｘｐ
（一ａ ／丁斗） ｌｎ ｊｃ＇一一 ／ ＋ｌｎ Ｃ，因此可以得出爆
炸波的波形参数ａ＝＝＝一Ｃ。・ｒ。
该方法可以把所采集到的信号变换成理想的爆
炸波波形，但是在具体应用时比较耗时，而且容易产
生一些人为误差。因为在进行正压峰值和波形参数
判读时，测试信号段的选取需要人工干预，而且没有
量化标准进行判断，所以不同的人选取不同的信号段
就可能会得到不同的结果。
第３期 张立恒等：爆炸冲击波测试数据处理方法研究 ・ １Ｏ９ ・
３．２高低通交换滤波方法
滤波是数字信号处理中一种基本而重要的技术，
利用滤波可以从复杂信号中提取所需要的信号，抑制
不需要的部分。经典的滤波器主要有低通、高通、带
阻和带通四种。滤波时总是假定输入信号中的有用
成分和希望去除的成分各自占有不同的频率带。但
是，在实际爆炸波测试中信号的有用成分和噪声所占
据的频率带是交叉的，单纯用经典的滤波器进行滤波
不能得到理想的效果。考虑到对所滤波的超压信号
有一定的先验信息，所以可用低通滤波方法结合所测
信号的先验信息对所测信号进行综合处理。
由经验可知爆炸波的衰
．
减服从指数分布，这里假定：：
爆炸波衰减服从Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ重；
方程。分别对Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ
方程和测试信号进行傅里叶
变换，得到它们的频谱曲
线。从频谱对比图４中可 图４频谱对比图
以看出它们的频谱特性完全相同；而且，根据数字滤
波器设计原理可知爆炸波衰减主要由低频部分控制。
所以，在对爆炸波测试信号进行处理滤波器设计时，
让测试信号的低频部分直接通过，而高频信号用经验
方程的高频频谱替代，具体流程如图５。
图５ 高低通交换滤波流程
由初始的测试信号可以得到所采用经验函数的
初始参数。对于一般的低通滤波器设计，低通滤波截
止频率的选择非常重要，但是，由于本方法并不是单
纯的低通滤波器，严格来说并不存在低通滤波截止频
率，而是高低通交换频率。图６为对信号用不同高低
通频率进行滤波的结果对比图。从图中可以看出高
低通交换频率对滤波器设计有很大影响，频率越低所
得到的结果和理想爆炸波的波形越接近，而频率越高
所得到的结果和实测信号越接近。在实际应用中可
以根据不同要求具体设定。
用傅里叶分析方法结合理想爆炸波经验方程对
所测试信号进行分析，既对高频杂波进行了过滤，又
保持了爆炸波衰减特性，得到了比较理想的爆炸波波
形。进一步基于该
方法用ＭＡＴＬＡＢ
编写了数据读取程
序，可以对采集到的
进行信号快速分析。
表１为在本次试验
中用该方法得到的
超压峰值、正相冲
图６不同高低通交换
量、正压作用时间和
频率对比图
直接读取得到的结果。
表１通过高低通交换滤波方法得到的
测试爆炸波参数
图７为用 ６００
－－－
ｅ ｘｐｅ ｒ
一
Ｅｔｈｒｉｄｇｅ拟合方法和 。。
。
！ｉ ｍｅｎｔ ｉａｌ ｄＩ
高低通交换滤波方霎３ｏ。
ｌ
法对测试数据进行 ２００
处理的对比图，从图 ｌ ００
’
＝＝＝＝！寰
中可以看出同用 ｏ
．
～
Ｅｔｈｒｉｄｇｅ拟合方法
得到的爆炸波曲线
图７两种方法得到的爆
相比，该方法得到的
炸波曲线对比图
爆炸波曲线可以更好的体现实际爆炸波的衰减特性。
４ 小结
在爆炸实验中，由于测得的信号夹杂着噪声，因
此必须进行光滑滤波处理。通过对现有爆炸波测试
方法的分析，提出了一种基于傅里叶分析对测试信号
进行滤波的高低通交换滤波方法。该方法不仅克服
了用Ｅｔｈｒｉｄｇｅ拟合方法进行滤波时繁杂耗时的人工
判读程序，并且可以根据需要改变高低通交换频率的
值来得到不同的滤波效果。基于该方法应用ＭＡＴ—
弹箭与制导学报 第３Ｏ卷
ＬＡＢ程序编写了相关程序，通过对ＴＮＴ爆炸试验得
爆炸力学实验技术学术会议论文集：２９４一Ｚ９８．
到测试信号的分析可以看出该方法具有很好的可操
［４］
冯地清。缪常，赵明，等．核爆炸信号参数化方法及其应
作性。
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出版社。１９８５．
］
］ ］
４ 结论
董秋仙，刘卫东．张少文．等．攻击单元延时起爆时间的
确定［Ｊ］．火力与指挥控制，２００８．３３（５）：３３—３５．
为满足最佳延时起爆时间的要求，从引信启动到
张少文，董秋仙，顾文彬．等．攻击单元与目标交汇准则
射流刀形成的时间应在３．３７～８．６７ｍｓ范围内。ｒ为
的研究［Ｊ］．南昌大学学报（工科版）．２００７，２９（１）：１６一
引信启动到形成射流刀的时间，该时间为引信控制线
ｌ９．
路惯性时间、爆炸序列作用时间、战斗部形成射流刀
孟湘红。刘培志．空间交会定向战斗部引信系统的时间
时间的总和。从分析计算结果看，对线性切割器的姿
匹配特性研究［Ｊ］．现代引信，１９９７，１９（１）：１７—２１．
态控制要求很高，即对线性切割器的射角要有很准确
朱景伟，谭惠民，樊印海．求解定向战斗部最佳起爆延迟
的控制，为很好满足引爆时间的最佳匹配特性需要有
时间和起爆方位的一种方法［Ｊ］．宇航学报，２００３，２４（２）：
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参考文献：
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３ 结论
术会议论文集，２００１：４—８．
Ｓ一１５０型高速分幅相机，在提高了时间信息率
［３］ 李剑．畅里华，谭显祥．ＦＪＺ—ｉ０００型超高速转镜分幅相
机及其应用口］．爆炸与冲击．２００５．２５（６）：５７４—５７６．
的同时，又提高了空间信息量，且采用新型ＰＣ机控
［４］
Ａｄａｍａｓ Ｌ．Ｗｈｉｔｅ ｓａｎｄｓ ｔａｒｇｅｔｓ ｃａｍｅｒａ ｕｐｇｒａｄｅｓ［－ＥＢ／
制系统，使整机性能达到了国内同类相机的领先水
ＯＬ］．２００８—０６—０８［２００９—０２—０４］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｄ—
平。由于相机摄影频率可在近２个数量级内变化，因
ｖａｎｃｅｄｉｍａｇｉｎｇｒｐｒｏ．ｃｏｍ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ／ｂｉｏ．ｊｓｐ？ｌｄ＝
而适用于各种高、低随机过程的实验研究，在常规兵
２Ｏ＆ｐｕｂｌｄ＝３．
器战斗部实验中得到了广泛的应用。
［５］ 赵峰，王彦平．龚晏青．等．水中射流的观测［ｃ］／／第四届
参考文献：
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