艦船尾流實(shí)時(shí)探測系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

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　　艦船、潛艇以及其他水下航行器在運(yùn)動(dòng)中，都會(huì)由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生空化或者海面的波浪破碎以及從吃水線部分大量空氣的卷入，在艦船尾部的海水中形成一條含有大量氣泡的氣泡幕帶，即艦船尾流。尾流中的氣泡形成后會(huì)受到重力、浮力、粘滯阻力三部分合力的作用而經(jīng)歷一個(gè)溶解、上升以及氣體膨脹的過程。尾流中氣泡的存在使得其透射、散射等光學(xué)特性與無擾動(dòng)的靜水不同，利用上述性質(zhì)的尾流光探測方法應(yīng)運(yùn)而生。對尾流的探測是間接探測艦船及水下航行器的一種新方法，有著廣闊的應(yīng)用前景和重要的國防意義。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種利用激光照射尾流氣泡，通過測量氣泡后向散射光空間頻譜分布來探測尾流氣泡的艦船尾流實(shí)時(shí)探測系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)工作原理及硬件組成

　　1.1 系統(tǒng)工作原理

　　尾流光探測方法通常采用直接測量尾流氣泡后向散射光功率強(qiáng)度。通過分析，這種方法容易受到背景干擾。本文采用一種新的測量方法，給尾流氣泡后向散射光接收系統(tǒng)前加一個(gè)傅里葉變換透鏡，可以得到散射光的空間頻譜分布，由于散射光的頻譜強(qiáng)度服從圓對稱的高斯分布，所以只要選取通過圓心的任意一個(gè)方向散射光的角譜強(qiáng)度即可表征該高斯分布的所有特征。實(shí)驗(yàn)證明，探測氣泡的散射光空間頻譜分布是一種非常有效的尾流探測方法，并且可以抑止背景干擾。這里采用線陣CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件，可編程控制芯片(CPLD)作為時(shí)序產(chǎn)生單元，DSP芯片作為高速數(shù)字信號處理及控制單元，AD9200作為模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，USB接口作為系統(tǒng)輸出上傳單元，構(gòu)成氣泡光散射特性實(shí)時(shí)探測處理系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)更加完善和清晰，系統(tǒng)性能得以提高，為調(diào)試、維修帶來方便。

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　　在系統(tǒng)中,為了保證時(shí)序的匹配，各部分均運(yùn)行在一個(gè)統(tǒng)一的基本時(shí)鐘下，由一個(gè)外接晶振

　　40 MHz作為整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一的輸入時(shí)鐘送人CPLD，經(jīng)CPLD產(chǎn)生CCD的各路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號、

　　ADC驅(qū)動(dòng)信號、USB和DSP的時(shí)鐘信號以及CPLD和DSP通信的信號。

　　A/D的工作頻率和CCD的輸出頻率嚴(yán)格同步以確保不丟失有用的數(shù)據(jù)。

　　CCD輸出的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入系統(tǒng)的處理單元DSP進(jìn)行處理。

　　DSP進(jìn)行信號處理后以12位的分辨率把數(shù)字形式的氣泡散射空間頻譜的峰值和半高寬度值送給USB單元，

　　通過USB接口實(shí)時(shí)上傳至電腦處理并存儲。系統(tǒng)DSP數(shù)據(jù)處理部分的工作流程如圖2所示。

　　1.2 硬件設(shè)計(jì)

　　CPLD選用可編程邏輯器件MAX7128SLC-84，DSP選用ADI公司的ADSP21062。MAX7128SLC-84可以將I/O設(shè)置在3.3 V或5 V下工作。因?yàn)橄到y(tǒng)中DSP，AD9200的工作電壓均為3.3 V，故CPLD的I/O也設(shè)置為3.3 V。然而CCD工作電壓為5 V，需要的外部驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖也都為5 V電平模式，而MAX7128SLC-84輸出的脈沖信號都為3.3 V，電平不匹配，這里采用ADG3308芯片對MAX7128SLC-84輸出的CCD驅(qū)動(dòng)信號作電平轉(zhuǎn)換，使它們從3.3 V變?yōu)? V。MAX7128SLC-84與系統(tǒng)DSP，74AHC574，CCD之間的同步控制如圖3所示。

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　　END信號每11 ms產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖作為DSP的外部中斷請求信號，低電平有效。CLR信號由DSP產(chǎn)生，作為清零信號，當(dāng)CLR為低時(shí)，則不產(chǎn)生CCD與AD9200的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。PCLK是DSP的時(shí)鐘，與CPLD的輸入時(shí)鐘信號同頻，這里PCLK由CPLD產(chǎn)生而不是直接由晶振送入DSP是為了保證整個(gè)電路系統(tǒng)在統(tǒng)一的時(shí)鐘下工作。ADSP21062與74AHC574之間采用DMA握手方式讀取數(shù)據(jù)。74AHC574的CP與OE必須嚴(yán)格進(jìn)行設(shè)置，否則采樣數(shù)值將有時(shí)候發(fā)生紊亂。74AHC574的CP信號由CPLD產(chǎn)生，CP滯后DATACLK，在數(shù)據(jù)有效期內(nèi)CP上升沿將數(shù)據(jù)鎖存至74AHC574。DMAR1信號由CPLD產(chǎn)生，ADSP21062響應(yīng)該外部中斷請求DMAR1后輸出DMAG1信號作為74AHC574的輸出使能信號OE，從而以握手方式將數(shù)據(jù)送到ADSP21062的外部總線上。DSP用FLAG2產(chǎn)生DMAREN以控制DMAR1請求，方便ADSP2106在做數(shù)據(jù)處理時(shí)關(guān)斷外部中斷，防止由其產(chǎn)生的更改內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)的誤操作。

　　1.3 軟件設(shè)計(jì)

　　由理論研究的結(jié)論可知，散射光空間譜強(qiáng)度服從圓對稱的高斯分布，因此，為了得到氣泡光散射譜強(qiáng)度分布的峰值和線寬參數(shù)，必須對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合。然而，由于高斯擬合算法無法克服光強(qiáng)飽和的影響，擬合曲線的形狀跟真實(shí)的譜強(qiáng)度的實(shí)際分布往往誤差較大，這會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的探測精度、作用距離。進(jìn)一步分析可知，由于信號測量數(shù)值起伏不定，還存在一些嚴(yán)重偏離實(shí)際數(shù)值的雜散點(diǎn)，這些是由CCD器件的噪聲引起的，它們也嚴(yán)重影響了高斯擬合算法的效果。小波消噪技術(shù)使得信號測量數(shù)據(jù)值起伏變小，且消除了大部分的孤值點(diǎn)，從而使高斯擬合算法更有效，擬合結(jié)果也更逼近實(shí)際的譜強(qiáng)度分布。CCD每10.6 ms輸出一幀數(shù)據(jù)，一幀的信號輸出大約10 000個(gè)，為了提高程序執(zhí)行效率和運(yùn)算速度，把經(jīng)過小波消噪之后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行壓縮，抽取其中500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)做高斯擬合處理。通過高斯擬合算法求出散射角譜高斯擬合曲線的峰值、峰值位置以及半高寬度。最后將求得的半高寬度和峰值輸出到后續(xù)USB接口部分。

　　2 結(jié) 語

　　本文設(shè)計(jì)的艦船尾流探測系統(tǒng)，以尾流后向散射光空間頻譜強(qiáng)度的半高寬度和峰值來判斷水中是否存在尾流。這種測量方法能夠有效抑止背景干擾，有一定的先進(jìn)性。目前水下航行器的速度為30～70海里/h(1海里=1.852 km)，探測系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)周期為11 ms，假設(shè)水下航行器的速度為70海里/h，那么，探測系統(tǒng)每0.396 m采集一次數(shù)據(jù)，其精度是比較高的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該探測系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定性好、可靠性高、處理速度快、探測結(jié)果準(zhǔn)確。

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