艦船尾流氣泡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 沖，袁志勇，張 銳，柏廣強(qiáng)，李京倫

(海軍工程大學(xué)， 武漢 430033)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

艦船尾流氣泡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 沖，袁志勇，張 銳，柏廣強(qiáng)，李京倫

(海軍工程大學(xué)， 武漢 430033)

為了便于進(jìn)行艦船尾流的測量試驗(yàn)，開展艦船尾流聲反射強(qiáng)度隨發(fā)射聲信號(hào)頻率、時(shí)間的變化規(guī)律，不同艦船目標(biāo)尾流的長度、寬度和厚度以及尾流特性等研究，提出了艦船尾流氣泡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并在水池中進(jìn)行了簡單的測試，結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)樣機(jī)氣泡檢測功能正常，可用于實(shí)驗(yàn)室水池測量教學(xué)實(shí)驗(yàn)和湖海試驗(yàn)，對(duì)進(jìn)一步開展尾流自導(dǎo)系統(tǒng)試驗(yàn)研究有重要意義。

尾流氣泡；檢測系統(tǒng)；水聲換能器；發(fā)射聲功率

尾流自導(dǎo)魚雷對(duì)目標(biāo)艦船實(shí)施探測、跟蹤、攻擊,是利用艦船航行形成的尾流場與周圍水域的物理特性差異[1-4]。其探測機(jī)理決定了它具有很強(qiáng)的抗干擾能力、較遠(yuǎn)的自導(dǎo)距離和很高的命中概率[5-6]。目前眾多國家和地區(qū)已大量裝備了此類魚雷,這都使得尾流自導(dǎo)魚雷成為當(dāng)今水面艦船航行安全的最致命威脅。因此，世界各國競相加強(qiáng)對(duì)尾流特性、尾流自導(dǎo)技術(shù)、尾流自導(dǎo)魚雷和對(duì)抗尾流自導(dǎo)魚雷技術(shù)的研究。

我海軍裝備的尾流自導(dǎo)魚雷，其技術(shù)主要是借鑒俄羅斯聲尾流自導(dǎo)技術(shù)，目前對(duì)艦船尾流的幾何特性與目標(biāo)特性等重要因素的關(guān)系不是很清楚。因此，急需投入一定的人力物力，加強(qiáng)對(duì)水面艦船尾流特性的基礎(chǔ)性試驗(yàn)，為此提出艦船尾流氣泡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以用于實(shí)驗(yàn)室水池測量教學(xué)實(shí)驗(yàn)和湖海試驗(yàn)。

1 尾流氣泡檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

尾流氣泡檢測系統(tǒng)分為水下裝置、岸上顯控裝置和電纜。水下裝置由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)3個(gè)部件組成。岸上裝置包括+27 V、+60 V供電電源、計(jì)算機(jī)等，檢測系統(tǒng)組成如圖1所示。

設(shè)計(jì)實(shí)物如圖2。

圖1 尾流氣泡檢測系統(tǒng)組成示意圖

圖2 尾流氣泡檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

發(fā)射機(jī)由DDS信號(hào)源及其附帶的濾波器、功率放大電路模塊、通道選擇電路模塊、匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射換能器這幾個(gè)模塊構(gòu)成；接收機(jī)由接收換能器及其附帶的前置放大器、檢波積分電路、程控放大電路等模塊構(gòu)成；信號(hào)處理機(jī)是尾流氣泡信號(hào)檢測及控制整個(gè)系統(tǒng)工作的核心組件，由電源電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、DSP模塊、485接口模塊、I/O口驅(qū)動(dòng)芯片、信號(hào)燈等組成。其中DSP模塊是信號(hào)處理機(jī)核心，模塊的硬件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性的采用“DSP+FPGA”的構(gòu)架，在該構(gòu)架中FPGA負(fù)責(zé)管理各個(gè)外設(shè)的通信，并將獲得的數(shù)據(jù)傳遞給DSP，而DSP只需專注于數(shù)據(jù)的處理，兩者各司其職，可以充分發(fā)揮DSP的高速信號(hào)處理性能，從而滿足處理系統(tǒng)在高速采樣率、大數(shù)據(jù)傳輸方面的需求。此外，為了盡可能探測到尾流中更多不同半徑的氣泡，該檢測系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)模式上采用了大帶寬、多通道(4個(gè)通道)、高功率的方式，提高了發(fā)射信號(hào)的頻帶寬度。接收機(jī)系統(tǒng)采用數(shù)字程控衰減技術(shù)設(shè)計(jì)，放大倍數(shù)可大范圍程控調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)工作原理及流程

工作原理：檢測系統(tǒng)使用主動(dòng)式尾流氣泡檢測，水下裝置垂直向上發(fā)射高頻率聲脈沖，此脈沖通過周圍海水中的雜質(zhì)及海面反射回來，形成體積混響及海面混響。水下裝置上方?jīng)]有尾流氣泡時(shí)，接收到的回波信號(hào)小于平滑后的混響電平，信號(hào)處理機(jī)判定為無尾流氣泡。一旦水下裝置上方有尾流氣泡，由于氣泡對(duì)聲的反射，尾流氣泡檢測系統(tǒng)接收到的氣泡散射信號(hào)大大高于平滑后的混響電平且持續(xù)一段時(shí)間，信號(hào)處理機(jī)判定為有尾流氣泡。無尾流氣泡和有尾流氣泡反射時(shí)接收回波波形示意圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 無尾流時(shí)接收回波波形示意圖

圖5 有尾流時(shí)接收回波波形示意圖

檢測系統(tǒng)接受通道接收的有效回波信號(hào)是尾流中氣泡產(chǎn)生的體積混響，干擾源是在無尾流時(shí)海水中的海面混響、體積混響以及海洋環(huán)境噪聲干擾之和，在探測脈沖信號(hào)發(fā)射后規(guī)定的檢測時(shí)間內(nèi)，對(duì)有尾流反射(含海面反射)的能量與無尾流反射的能量的比較，如圖6所示。

圖6 尾流檢測的時(shí)間判斷依據(jù)

圖6中：τ0為接收管制時(shí)間；τg為從τ0開始，到門限器件動(dòng)作的時(shí)間；τe為接收到的水聲信號(hào)聲壓超過門限器件動(dòng)作門限值的時(shí)間；pg為按背景干擾聲壓，經(jīng)自適應(yīng)調(diào)整確定的門限器件動(dòng)作的門限值聲壓；oτ為橫坐標(biāo)(ms)，以探測脈沖發(fā)射時(shí)刻為起點(diǎn)；op為縱坐標(biāo)(Pa)，接收通道接收到的水聲信號(hào)聲壓。

根據(jù)τe和τg值，由檢測尾流的時(shí)間判據(jù)，判定該時(shí)刻檢測系統(tǒng)的接收通道能否檢測到尾流：當(dāng)τe<τg時(shí)，未檢測到尾流；當(dāng)τe>τg時(shí)，檢測到尾流。

工作流程：首先將硬件系統(tǒng)通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，系統(tǒng)上電后，打開計(jì)算機(jī)登陸軟件系統(tǒng)主界面，登陸參數(shù)設(shè)定模塊。通過參數(shù)設(shè)定模塊的可視化界面輸入 DDS信號(hào)源所要產(chǎn)生信號(hào)的頻率控制字、脈沖寬度τ與工作周期T、選擇發(fā)射換能器通道和設(shè)定保存數(shù)據(jù)的文件名，DDS信號(hào)源產(chǎn)生工作頻率為f幅值為A的正弦波脈沖輸入到功率放大模塊，由FPGA控制功率放大模塊輸出載頻為f、周期為T和脈寬為τ的脈沖。功率放大模塊將脈沖信號(hào)放大到能夠激勵(lì)發(fā)射換能器的擬定量值，由FPGA控制通道選擇，選擇要接通的發(fā)射換能器，由發(fā)射換能器將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲脈沖信號(hào)發(fā)射出去。

接收換能器將接收到的超聲脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到前置放大器放大一定倍數(shù)后，再輸入到程控放大模塊。FPGA發(fā)出控制字指令確定信號(hào)的衰減倍數(shù)，在試驗(yàn)所要求的幅度范圍內(nèi)將信號(hào)程控放大，并進(jìn)行高通濾波。隨后，將程控放大器輸出信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊。將轉(zhuǎn)換獲取的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件的形式通過高速緩存存儲(chǔ)到外接計(jì)算機(jī)硬盤中。

在外接計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)的同時(shí)，還可以登陸軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出模塊的可視化界面，顯示采樣波形、當(dāng)前時(shí)間和程控放大電路的放大倍數(shù)，控制系統(tǒng)工作及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的開始和中斷。

若進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，則在軟件系統(tǒng)主界面登陸數(shù)據(jù)分析模塊，分析尾流回波信號(hào)的幅度隨著發(fā)射信號(hào)頻率、尾流持續(xù)時(shí)間等因素的變化，分析尾流幾何特性，進(jìn)行尾流仿真等方面工作。在主界面顯示復(fù)位待機(jī)、自檢狀態(tài)、測量工作、主要工作參數(shù)等是否正常等信息。

3 系統(tǒng)主要參數(shù)分析計(jì)算

系統(tǒng)的主要指標(biāo)有：系統(tǒng)工作頻率、功率放大輸出脈沖周期和脈寬、發(fā)射功率、接收機(jī)放大倍數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換頻率、換能器參數(shù)、供電電源電壓及功率等參數(shù)。這些指標(biāo)都是互相關(guān)聯(lián)的，因此必須從系統(tǒng)的角度進(jìn)行論證。

3.1 系統(tǒng)工作頻率范圍

尾流中氣泡在入射聲波的作用下受迫振動(dòng)，每一個(gè)小氣泡都有它的諧振頻率，當(dāng)入射聲波的頻率等于它的諧振頻率時(shí)，氣泡處于共振狀態(tài)，其散射功率和散射截面達(dá)到最大值，系統(tǒng)正是基于這個(gè)原理進(jìn)行氣泡尾流探測。

水中單個(gè)氣泡在諧振時(shí)散射能量最大，而氣泡的散射功率WS[6]

(1)

式中：I0為入射聲強(qiáng);f為工作頻率;fr為氣泡諧振頻率。

當(dāng)氣泡處于共振時(shí)，散射功率達(dá)到最大值

(2)

氣泡的共振頻率 fr為[7]

(3)

式中：γ為氣體比熱比值；P0為流體靜壓力；R為氣泡半徑(cm)；ρ為海水密度(kg/cm3)；T為液體和氣泡界面的表面張力。

氣泡最初產(chǎn)生時(shí)，氣泡的尺寸分布主要集中在1 000μm以下，由于表面活性劑對(duì)氣泡表面張力及氣泡內(nèi)氣體擴(kuò)散的影響，增加了小氣泡在水中穩(wěn)定存在的可能性，因此，40～60μm的氣泡密度數(shù)最高，根據(jù)式(3)計(jì)算，尾流氣泡的共振頻率約在78～118kHz范圍內(nèi)。為了盡可能全面地探測到尾流中的氣泡，將系統(tǒng)工作的頻率范圍確定為60～600kHz。

3.2 脈沖寬度和工作周期

在發(fā)射機(jī)中，發(fā)射周期的選取應(yīng)考慮以下因素：要有足夠的尾流回波信息重復(fù)率，便于信號(hào)檢測，保證波束有最大的檢測距離，如圖7所示。

圖7 收發(fā)換能器與尾流相對(duì)位置示意圖

假設(shè)換能器離水面面距離為H，當(dāng)換能器在尾流下方時(shí)，要保證發(fā)射波束能照到尾流,且能可靠接收回波信號(hào)，那么從圖7得式(4)

(4)

假設(shè)換能器深度15 m，取聲速C=1 435 m/s，則由式(4)算出T=20.1 ms。因設(shè)計(jì)時(shí)需適當(dāng)增加T值，必須保證自導(dǎo)系統(tǒng)以一個(gè)合適的間隔接收回波信號(hào)，所以綜合考慮可以取T的典型值為50 ms，試驗(yàn)測量系統(tǒng)中脈沖周期可以在30～80 ms的范圍內(nèi)任意調(diào)整。

確定發(fā)射脈寬τ時(shí)應(yīng)考慮下列問題[8]：

① 探測距離

發(fā)射換能器在發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí),cτ/2范圍內(nèi)的目標(biāo)無法被探測到，這樣就形成了探測盲區(qū)。若取τ=1 ms,則探測盲區(qū)為0.72 m，即最小探測距離為0.72 m；最大探測距離Rmax應(yīng)該大于式(4)中的H，由式(4)可得

(5)

在進(jìn)行尾流測量試驗(yàn)的時(shí)候，取T的典型值50 ms，則Rmax≤15 m，最大探測距離為15 m，考慮到傳播損失和噪聲的影響，試驗(yàn)時(shí)換能器的深度控制在10 m或者小于10 m的深度完全可以有效探測到尾流。

② 由海面混響的計(jì)算公式可知，在其他參數(shù)相同的情況下，發(fā)射脈寬τ的增加會(huì)使得海面混響增加，從減少海面混響的角度考慮應(yīng)當(dāng)選擇窄脈沖。

③ 由于在脈沖寬度之間填充了載頻，一般要求載頻波的數(shù)量不能太小，從而保證能有效地發(fā)射(一般保證數(shù)量最好在50個(gè)以上)。

因此，根據(jù)以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，經(jīng)過計(jì)算發(fā)射脈寬τ為

(6)

式中τmin可以小于1 ms。最后確定τ的典型值取1 ms。

3.3 接收機(jī)程控放大倍數(shù)

由于接收換能器接收到的尾流回波信號(hào)相當(dāng)尾流弱(μV級(jí)或者mV級(jí))，如果直接將其通過電纜傳至水面進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，信號(hào)將會(huì)有較大的衰減，測到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)有較大的誤差，不利于試驗(yàn)完成后的數(shù)據(jù)分析和理論探討。因此，在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集之前，應(yīng)當(dāng)將接收換能器信號(hào)進(jìn)行適度放大。采用程控放大方式，程控放大電路的最大放大倍數(shù)為10 000倍(不進(jìn)行衰減)，放大電路的增益控制范圍可到80 dB。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換頻率

依據(jù)采樣定理，A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入模擬信號(hào)的最高頻率為fimax，則采樣頻率fs必須滿足關(guān)系[9]

(7)

試驗(yàn)中發(fā)射信號(hào)的最大頻率為600 kHz，由于尾流中氣泡運(yùn)動(dòng)速度很小，因此可以忽略多普勒頻移，認(rèn)為接收到回波信號(hào)的最大頻率就是發(fā)射信號(hào)的最大頻率。依據(jù)采樣定理，fs的取值最小為1.2 MHz，實(shí)際在工程實(shí)現(xiàn)上一般為3～5倍，為了便于在A/D轉(zhuǎn)換完成后比較逼真地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，結(jié)合試驗(yàn)需要，將A/D轉(zhuǎn)換頻率設(shè)定為5 MHz。

3.5 發(fā)射/接收換能器

發(fā)射換能器：可以在工作頻率范圍任意選擇，設(shè)計(jì)為4個(gè)通道獨(dú)立工作，重點(diǎn)在120 kHz左右。

接收換能器：單只，以120 kHz為中心，帶前置放大，帶30～40 m電纜，換能器利于水下固定。

本檢測系統(tǒng)選用高頻寬帶壓電換能器，現(xiàn)有一發(fā)射換能器，經(jīng)過測試，得到換能器的指標(biāo)水中阻抗、指向性和發(fā)射電壓響應(yīng)如下。

采用HP4192A阻抗分析儀自動(dòng)測量阻抗，換能器激勵(lì)電壓1 V，測試頻率從100～200 kHz。測得諧振頻率f0=122.000 kHz、帶寬BW=47.6 kHz、電導(dǎo)G=2.303 ms、電納B=1.886 0 ms。

在測試距離為3.8 m，測試深度為1.8 m時(shí)，采用單頻脈沖波測量，得到發(fā)射換能器在不同工作頻率f下的指向性角如表1所示。

表1 發(fā)射換能器的指向性角

表1中：f為工作頻率(kHz)； 2θ-3 dB為發(fā)射波束寬度即指向性角，表示在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內(nèi)，輻射功率下降3 dB的夾角。

在測試距離為1.63 m。測試深度為1.80 m，水溫15°，室溫20°時(shí)，得到換能器在不同工作頻率f下發(fā)射電壓響應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)

表2中： f 為工作頻率(kHz)；SV為發(fā)射電壓響應(yīng)，指發(fā)射換能器在指定方向上離其有效聲中心d0m距離上產(chǎn)生的自由場表觀聲壓Pf與加到換能器輸入端的電壓U的比值：SV=Pf*d0/U,單位(dB)。

3.6 發(fā)射聲功率的詳細(xì)計(jì)算

發(fā)射功率P是指經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)后加到發(fā)射換能器去的電功率。用式(8)來表示

(8)

其中：um是發(fā)射機(jī)匹配網(wǎng)絡(luò)輸出到負(fù)載(發(fā)射換能器)R上的峰值電壓，R為負(fù)載電阻；發(fā)射功率P決定著換能器的有效作用距離，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率越大，發(fā)射換能器的作用距離就越遠(yuǎn)[10]。

3.6.1 噪聲干擾下的主動(dòng)聲自導(dǎo)方程

噪聲干擾下的主動(dòng)聲自導(dǎo)方程為[11]：

SL-2TL-NL+TS+DI=DT

(9)

其中，SL為主動(dòng)聲源級(jí)，且有

SL=170.8+10logP+DI

(10)

TL為傳播損失，且有

TL=20logr+0.036f3/2r

(11)

其中：f為工作頻率；r為探測距離。

NL為噪聲級(jí)，試驗(yàn)裝置自噪聲和海洋噪聲可忽略，且高頻時(shí)主要為環(huán)境噪聲中的熱噪聲。TS為目標(biāo)強(qiáng)度。DI為接收指向性指數(shù)，一般根據(jù)換能器的尺寸進(jìn)行計(jì)算。

(12)

(13)

(14)

DT為檢測域。

3.6.2 發(fā)射聲功率計(jì)算

現(xiàn)有換能器的諧振頻率為122 kHz，探測距離設(shè)為15 m時(shí)，代入式(11)得到

TL=20log15+0.036×1223/2×0.015=24.25

換能器直徑為60 mm，代入式(14)得到

將式(10)代入式(9)，得到

170.8+10logP+2DI-2TL+TS=DT+NL

(15)

由于DI、NL屬于變量，需要對(duì)DI和NL的值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在對(duì)DI和NL取典型值的情況下估算出發(fā)射聲功率大約為200～400 W。

4 試驗(yàn)

為驗(yàn)證此氣泡檢測系統(tǒng)能正確檢測出氣泡，用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在水池中進(jìn)行了簡單檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)配置示意圖如圖8。

圖8 水池模擬氣泡檢測示意圖

將檢測系統(tǒng)的水下裝置沉入水池，波束向上，供電及信號(hào)的傳輸由水密電纜引出，并連接岸上裝置。水下裝置在自適應(yīng)結(jié)束后，將氣泡釋放裝置沉入水下3～4 m，放置在水下裝置上方一側(cè)，打開由氣泡釋放網(wǎng)格及空氣壓縮機(jī)組成模擬氣泡釋放裝置，將該裝置上下左右移動(dòng)，通過岸上裝置的數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)軟件觀察氣泡檢測輸出結(jié)果，可以看到水面回波信號(hào)，當(dāng)氣泡釋放裝置移出水下裝置上方區(qū)域后，氣泡輸出信號(hào)消失，表明氣泡檢測功能正常。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于“DSP+FGPA”控制并采用硬件與計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合方式的尾流氣泡檢測系統(tǒng)，分析計(jì)算了系統(tǒng)主要參數(shù)，對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行了計(jì)算，以主動(dòng)聲自導(dǎo)方程為理論基礎(chǔ)，得到了試驗(yàn)系統(tǒng)的探測距離和發(fā)射功率的關(guān)系，由此依據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)不同性能的檢測裝置，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并在水池中進(jìn)行了簡單的測試，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)樣機(jī)氣泡檢測功能正常，此尾流氣泡檢測試驗(yàn)裝置也可用于實(shí)驗(yàn)室水池測量教學(xué)實(shí)驗(yàn)和湖海試驗(yàn)，對(duì)進(jìn)一步開展尾流自導(dǎo)系統(tǒng)試驗(yàn)研究有重要意義。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Design of Detect System for Ship Wake Bubble

ZHANG Chong, YUAN Zhiyong, ZHANG Rui, BAI Guangqiang, LI Jinglun

(Naval Engineering of University, Wuhan 430033, China)

To make it convenient for the ship wake flow experiments, the paper studies the rules of wake flow reflected intensity changing with the frequency and time of the acoustic signal, the length, width, thickness and character of different ship wake, and a design scheme for the wake bubble detect system is proposed and a sample machine is made. With simple tests in the pool, it proves that the test machine works well and can be used in lab teaching and experiment, and it is of great significance to the further study of wake homing system experiments.

wake bubble; detect system; underwater transducer; transmitting sound power

2017-04-19；

2017-05-20

張沖(1990—)，男，碩士，助理工程師，主要從事武器系統(tǒng)運(yùn)用與保障研究。

袁志勇(1965—)，男，碩士，教授，主要從事武器對(duì)抗研究。

10.11809/scbgxb2017.08.011

format:ZHANG Chong, YUAN Zhiyong, ZHANG Rui, et al.Design of Detect System for Ship Wake Bubble[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):45-49.

TJ06

A

2096-2304(2017)08-0045-05

本文引用格式：張沖，袁志勇，張銳，等.艦船尾流氣泡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(8):45-49.