高速载具侵彻物体过程中的行程计算优化方法及其信号处理技术研究

为解决高精度行程计算难题，研究人员针对高速载具侵彻物体过程中的加速度信号受高频振荡噪声干扰问题，提出基于傅里叶变换和低通滤波（10 kHz截止频率）的信号处理新方法。通过仿真与马歇特锤实验验证，该方法将行程计算误差控制在8%以内，显著提升控制系统的实时决策精度，为深地工程（如石油钻探）的自动化控制提供关键技术支撑。

　　

在深地工程和石油钻探等领域，高速载具（如钻头）穿透物体时的实时位置监测至关重要。然而，现有技术面临两大瓶颈：一是加速度传感器信号被高频噪声（如应力波、空气振荡）严重污染，幅值可达10,000g；二是直接积分噪声信号导致行程计算误差超过20%，严重影响控制指令的时效性。传统方法难以平衡计算精度与实时性，成为制约自动化系统性能提升的关键因素。

为突破这一技术壁垒，中国某研究机构团队在《Measurement: Sensors》发表论文，提出创新性解决方案。研究通过软件仿真与硬件实验结合，首先利用傅里叶变换（Fourier Transform）解析加速度信号的时频特征，发现有效信号能量集中于10 kHz以下；随后采用控制变量法确定最优低通滤波参数（10 kHz截止频率），配合矩形积分算法（计算效率达7.9×10^-6
s/次），构建包含放大电路（AD623芯片）、滤波电路（MAX291芯片）的硬件系统。马歇特锤实验验证信号调理电路可有效消除18,000g冲击下的高频噪声，半物理仿真显示行程计算误差降至6.76%。

2.1 侵彻过程加速度信号特征
通过载具穿透6 m厚物体（初速1200 m/s）的仿真，揭示加速度信号三阶段特征：初始接触期（0.5 ms内达1000g）、缓慢衰减期（0.5-5.5 ms）和退出归零期（6 ms）。对比理想信号与控制系统实测信号，发现高频噪声使幅值畸变达10倍。

3.2 仿真验证
设计8阶低通滤波器（0.2 dB通带波纹），对比6组截止频率（5-70 kHz）。结果显示10 kHz滤波后信号最接近理想波形，速度计算误差仅2.19%，穿透6 m物体时间误差<0.2 ms。

4.3 半物理仿真
以880 m/s初速穿透5 m物体为案例，将仿真加速度信号输入硬件系统。控制系统输出行程2.37 m（理论值2.22 m），误差6.76%，证实方法在工程应用中的可靠性。

该研究创新性地将频域分析与实时信号处理结合，突破传统积分算法的精度限制。提出的10 kHz低通滤波阈值成为信号调理电路设计的黄金标准，而矩形积分算法较辛普森法提升10倍计算效率。成果不仅为深地作业设备提供亚米级定位能力，其自适应滤波思路更可拓展至航天器再入、弹道修正等领域。未来通过引入龙贝格积分（Romberg）和机器学习滤波，有望将误差进一步压缩至3%以内，推动高速运动控制技术进入新纪元。

（注：全文数据源自作者公开的加速度信号数据集，所有实验参数均通过GD32E230控制芯片实现，传感器采用BM1001X型压阻式加速度计（60,000g量程）。）