在产品的研制过程中，为考核产品的结构特性，以及在恶劣环境条件下的抗冲击性能，经常需要进行一些冲击试验，其中包括爆炸分离、跌落等试验，以此模拟实际工作中的冲击环境, 分析产品受到冲击的破坏程度。
在爆炸分离、跌落等试验的过程中，我们获取加速度数据并进行分析。然而在实际测量中，获得的加速度数据中可能会混杂着一些不希望的干扰信号。为了准确地提取有用的冲击加速度信号，我们需要对试验时获得的数据进行滤波处理。
今天我们就以VENZO 640冲击测量仪为基础，一起来了解冲击测量中的滤波分析，希望通过本文的介绍，能给大家在工作和学习中提供一些有意义的参考！
PART1 什么是滤波？
在振动测试、数据采集等工程实际中，我们经常会听到“滤波”。那么滤波究竟是什么呢？
滤波一词起源于通信理论，它是从含有干扰的接收信号中提取有用信号的一种技术。例如雷达跟踪飞机，测得的飞机位置的数据中，含义测量误差及其它随机干扰，如何利用这些数据尽可能准确地估计出飞机在每一时刻的位置、速度等，就是一个滤波的问题。
而今天我们所要说的滤波分析就是在冲击测量分析中，从原始的加速度数据中剔除出噪声干扰，并提取有用的加速度信号，以保证后续分析的准确性。
例如在VENZO 640冲击测量仪的经典冲击模块中，采集的目标波形为15g 6ms的梯形波。下图分别是对采集信号未进行滤波处理时的时域信号和频谱信号，以及对采集信号进行了低通滤波后的时域信号和频谱信号。
可以发现，对采集的信号未滤波处理时，时域曲线的毛刺很多，频谱信号中的高频噪声较大。对采集的信号进行低通滤波后，时域曲线很光滑，频谱上信号中的高频噪声明显减小。
未进行滤波处理的时域和频域信号
低通滤波后的时域和频域信号
PART2 滤波的分类
滤波的种类有很多种，常见的分类方式有以下几种：
按处理方法分，有硬件滤波和软件滤波；
按所处理信号分，有模拟滤波和数字滤波；
按通频带分，有低通滤波，高通滤波，带通滤波，带阻滤波；
按阶数分，有一阶，二阶，三阶，四阶...
（1）硬件滤波和软件滤波
硬件滤波就是使用具有频率选择特性的器件让一些频率成分通过，另一些成分抑制。分离元件电容和电感都具有频率选择特性，因此都可以作为滤波器组成部件使用，常用的是电容。电阻和电容组合构成最基本的一阶滤波器，电容具有通高频阻低频作用。电阻，电容和运放结合可以构成二，三，高阶滤波器。
软件滤波就是用软件来识别有用信号和干扰信号，并滤除干扰信号的方法。
在信号处理的工程应用中，一般先对采集的信号在硬件上进行抗混叠低通滤波，滤除一部分信号噪声。如果需要对信号进行更高精度的滤波，则采用软件滤波方式进一步滤波。
（2）模拟滤波和数字滤波
模拟滤波是通过电容电感等器件组成的硬件电路对连续的模拟信号进行滤波。
数字滤波是通过软件编程或硬件数字电路对离散的数字信号进行滤波。
以MP3为例，MP3可以用来听歌，也可以用来录音和放音。下图就是MP3录音放音的过程：
MP3典型的电子系统中的滤波环节
（3）低通滤波，高通滤波，带通滤波，带阻滤波
低通滤波：从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。
高通滤波：与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分受到极大地衰减。
带通滤波：它的通频带在f1～f2之间，信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。
带阻滤波：与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间，信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。
（4）一阶，二阶，三阶
滤波的阶数就是指过滤谐波的次数，一般来讲，同样的滤波器，其阶数越高，滤波效果就越好。
以巴特沃斯低通滤波为例，巴特沃斯滤波的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐衰减为零。
一阶巴特沃斯滤波的衰减率为每倍频6分贝，二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝、三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝、如此类推。滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快，如下图所示。
巴特沃斯低通滤波器的频率响应曲线
PART3 滤波分析的特点
VENZO 640冲击测量仪软件中，用户可以对每个输入通道独立地设置低通和高通滤波。
为了更好地满足用户的需求，VENZO 640冲击测量仪丰富了滤波分析的功能。
√ FIR滤波分析
除了巴特沃斯滤波之外，我们还可以在软件中对采集的信号进行FIR滤波。FIR滤波的优点在于它使信号经过处理后不会产生相位失真，而且有限长的单位抽样响应保证了系统的稳定。
例：VENZO 640冲击测量仪采集某冲击试验机的目标5g 6ms的半正弦波。下图分别为未滤波的时域波形和FIR滤波处理后的时域波形。
√ 自动滤波
除了手动设置低、高通滤波的截止频率，我们还可以在软件中设置自动低通滤波。默认的自动滤波比为10，软件根据采集的信号脉宽自动计算出截止频率，计算公式为：
按默认滤波比，即为：
那么自动滤波比为什么一般设置为10，这和采集的波形频谱特性相关。在冲击测量采集中，常见的半正弦波，后峰锯齿波，梯形波的能量主要分布在低于5/T的频段范围内。（T为脉冲宽度）
下图分别为50g 5ms半正弦波，后峰锯齿波，梯形波的能量分布。
50g 5ms半正弦波能量分布
50g 5ms后峰锯齿波能量分布
50g 5ms梯形波能量分布
如果采集的波形并非常规的冲击波形，按默认的自动滤波比进行低通滤波可能会滤除有用的信号。此时我们可以打开FFT窗口，参照FFT信号的能量分布，手动设置滤波截止频率。
