水下實(shí)時(shí)綜合電磁探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳家林,徐 灝,袁奕博,劉蘭軍,連波超

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院,山東 青島,266061)

0 引言

水下目標(biāo)探測(cè)技術(shù)對(duì)于提高水下信息感知能力、維護(hù)海洋權(quán)益具有重要意義。目前常用的水下目標(biāo)探測(cè)技術(shù)有聲探測(cè)、激光探測(cè)、電場(chǎng)探測(cè)及磁場(chǎng)探測(cè)等[1-3]。水下聲探測(cè)具有傳播距離遠(yuǎn)、能量損耗小等優(yōu)勢(shì),是目前主要的水下目標(biāo)探測(cè)手段,但隨著目標(biāo)降噪技術(shù)的發(fā)展,以及受到水文聲混響等噪聲制約,聲探測(cè)局限性越來(lái)越明顯。水下激光探測(cè)技術(shù)具有分辨率高、水中傳播速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但易受到水質(zhì)等環(huán)境因素影響且波速窄、探測(cè)效率低、探測(cè)距離小[4]。水下電場(chǎng)探測(cè)利用目標(biāo)體在海洋環(huán)境中的腐蝕電流和陰極保護(hù)產(chǎn)生的電流進(jìn)行探測(cè),具有隱蔽性強(qiáng)、探測(cè)距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)[5]。水下磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)是搜索水下磁性體的有效手段之一,通過(guò)獲取海洋磁背景下的磁異常,得到磁性目標(biāo)體的探測(cè)信息,具有識(shí)別能力強(qiáng)、定位精度高的特點(diǎn)[6]。

面向水下目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測(cè),作為聲探測(cè)的有效補(bǔ)充,電磁探測(cè)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。20 世紀(jì)60 年代初,美國(guó)和加拿大在冰山上安裝電場(chǎng)傳感器陣列對(duì)目標(biāo)進(jìn)行電場(chǎng)探測(cè)搜索,成功搜索到目標(biāo)位置[7]。20 世紀(jì)80 年代末,蘇聯(lián)研制了Anagram 電磁探測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)包括2 根50 km 長(zhǎng)的電纜,電纜上間隔安裝240 個(gè)電極,測(cè)量通道數(shù)為80,可完成目標(biāo)體運(yùn)動(dòng)方向、航線角度和深度的探測(cè)[8]。進(jìn)入21 世紀(jì),美國(guó)海軍將磁傳感器搭載在自主水下航行器上,實(shí)現(xiàn)對(duì)水雷的探測(cè)[9]。國(guó)內(nèi)中國(guó)海洋大學(xué)利用自主研制的水下電磁采集系統(tǒng),采用自容式存儲(chǔ),通過(guò)3 分量電場(chǎng)信號(hào)和2 分量感應(yīng)式磁場(chǎng)信號(hào),獲取到船舶軸頻電磁場(chǎng)信號(hào),探測(cè)半徑達(dá)600 m 以上[10]。

在前期海底電磁采集方法和裝備研究的基礎(chǔ)上,文中針對(duì)現(xiàn)有水下目標(biāo)電磁探測(cè)技術(shù)探測(cè)物理量單一、實(shí)時(shí)性差、綜合適應(yīng)能力弱等問(wèn)題,研制了一套水下實(shí)時(shí)綜合電磁探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)海洋微弱電場(chǎng)、動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)和總磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集,實(shí)現(xiàn)了高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的電磁信號(hào)采集、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸,可對(duì)水下目標(biāo)實(shí)施綜合探測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)海洋電磁探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的高精度探測(cè)和定位是文中研究的核心目標(biāo)。針對(duì)此目標(biāo),探測(cè)系統(tǒng)需要解決超低噪聲觀測(cè)、高精度同步采集、高可靠連續(xù)實(shí)時(shí)傳輸及水下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)等一系列問(wèn)題。文中從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟硬件實(shí)現(xiàn)等方面對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究和優(yōu)化。圖1 為水下實(shí)時(shí)綜合電磁探測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)分為三部分: 海底電磁采集子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)和通信鏈路子系統(tǒng)。

圖1 水下實(shí)時(shí)綜合電磁探測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Overall design of underwater real-time integrated electromagnetic detection system

海底電磁采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)海洋環(huán)境和目標(biāo)電磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集,采集子系統(tǒng)配備高精度電場(chǎng)傳感器、感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器、磁通門(mén)傳感器和方位姿態(tài)傳感器,其核心是電磁記錄儀。采集站框架采用PP 材料和316 不銹鋼制作,尺寸為長(zhǎng)900 mm、寬 900 mm、高700 mm。海底電磁采集子系統(tǒng)在X、Y和Z等3 個(gè)正交方向各配有1 對(duì)Ag/AgCl 電極作為電場(chǎng)傳感器,電極安裝在韌性良好的PVC 延長(zhǎng)桿上,每對(duì)電極的極距為10 m;X、Y正交方向各配有1 根感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器作為動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量通道,傳感器通過(guò)槽和螺絲固定在采集站的框架上;電磁記錄儀被安裝在采集站中心,使用耐壓艙保護(hù),磁通門(mén)傳感器設(shè)置在艙內(nèi),磁通門(mén)對(duì)X、Y和Z正交分量的總磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,作為3 個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)通道;方位姿態(tài)傳感器為外接模塊,固定在硬件電路板上,為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理校正提供方位及姿態(tài)信息。電磁記錄儀完成信號(hào)前置放大、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、實(shí)時(shí)通信及數(shù)據(jù)回收等功能。

監(jiān)控子系統(tǒng)包括3 個(gè)功能單元: 系統(tǒng)配置單元、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收單元和狀態(tài)監(jiān)控單元。系統(tǒng)配置單元在海洋電磁采集系統(tǒng)工作前進(jìn)行參數(shù)配置、儀器啟動(dòng)等操作。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收單元接收水下電磁采集站上傳的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。狀態(tài)監(jiān)控單元對(duì)整套系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,實(shí)時(shí)查詢(xún)水下采集站姿態(tài)、電壓及溫度等信息,并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警。

通信鏈路子系統(tǒng)是監(jiān)控子系統(tǒng)和水下電磁采集子系統(tǒng)的通信橋梁,水下電磁采集子系統(tǒng)通過(guò)通信鏈路將采集的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控子系統(tǒng)。通信鏈路采用無(wú)磁承重通信纜,長(zhǎng)200 m,破斷拉力2 000 kg,經(jīng)海試測(cè)試采用控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線通信,速率為125 kb/s,能夠保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

1.2 海底電磁采集子系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1) 系統(tǒng)硬件電路組成

電磁記錄儀是水下實(shí)時(shí)綜合電磁探測(cè)系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)上傳。電磁記錄儀結(jié)構(gòu)如圖2 所示,系統(tǒng)主要由電磁信號(hào)處理單元、數(shù)字主控單元和電源管理單元三部分組成,可采集3 電場(chǎng)分量、3 磁通門(mén)分量和2 感應(yīng)磁場(chǎng)分量共8 個(gè)分量的海洋電磁信號(hào)。

圖2 電磁記錄儀硬件設(shè)計(jì)框圖和實(shí)物圖Fig.2 Hardware design and prototype of electromagnetic recorder

2) 電場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)處理電路

海洋電磁天然場(chǎng)信號(hào)非常微弱,電場(chǎng)強(qiáng)度在1 Hz處為0.01～0.2 mV/km,因此設(shè)計(jì)超低噪聲電場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)電路是獲取海洋微弱電場(chǎng)信號(hào)的必要條件。文中設(shè)計(jì)的電場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)電路由電場(chǎng)接口、斬波調(diào)制、交流放大、解調(diào)濾波和直流跟隨電路構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)傳感信號(hào)的低噪聲放大,如圖3 所示。

圖3 電場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)電路Fig.3 Electric field signal detection circuit

電場(chǎng)傳感器(見(jiàn)圖4)采用自主研制的Ag/AgCl電極,經(jīng)測(cè)試電場(chǎng)傳感器本底噪聲水平約為電極對(duì)阻抗約為6 Ω,極差小于0.1 mV。

圖4 電場(chǎng)傳感器Fig.4 Electric field sensor

3) 磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)處理電路

磁場(chǎng)信號(hào)處理電路見(jiàn)圖5。磁場(chǎng)傳感器采用磁通門(mén)傳感器(見(jiàn)圖6)和感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器(見(jiàn)圖7)。磁通門(mén)采用西安華舜測(cè)量設(shè)備有限責(zé)任公司研制的傳感器,本底噪聲小于感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器采用中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研制的傳感器,本底噪聲小于1 Hz。磁場(chǎng)通道檢測(cè)電路由磁場(chǎng)接口、電壓跟隨和比例衰減構(gòu)成。

圖5 磁場(chǎng)信號(hào)處理電路Fig.5 Magnetic field signal processing circuit

圖6 磁通門(mén)傳感器Fig.6 Fluxgate sensor

圖7 感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器Fig.7 Inductive magnetic field sensor

4) 信號(hào)采集與數(shù)字主控電路

信號(hào)采集和數(shù)字主控電路為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)同步采集、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ?是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵部分,其框圖如圖8 所示。數(shù)字主控單元包括主控、A/D 轉(zhuǎn)換、高精度溫補(bǔ)時(shí)鐘、串口通信、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、低功耗管理及狀態(tài)監(jiān)控等模塊。主控單元核心采用微處理器ARM(advanced RISC machine)+現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array,FPGA)架構(gòu),負(fù)責(zé)同步采集和控制工作。A/D 轉(zhuǎn)換模塊由2 片4 通道24 位同步采集模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)組成,提供高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。高精度溫補(bǔ)時(shí)鐘模塊是系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)源,為系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(real time clock,RTC)邏輯、ADC 等部分提供時(shí)鐘、保障系統(tǒng)的同步性,文中采用時(shí)鐘自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行時(shí)鐘溫度補(bǔ)償,結(jié)合授時(shí)和校時(shí)技術(shù)進(jìn)行時(shí)鐘漂移校準(zhǔn),完成時(shí)間同步。串口通信模塊提供參數(shù)配置、命令收發(fā)等功能。數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)海洋電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠采集,并按規(guī)定協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸模塊通過(guò)通信纜連接至海洋監(jiān)控中心,將電磁數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至水面處理。低功耗管理模塊對(duì)各部分電源進(jìn)行靈活控制。狀態(tài)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)電壓、方位姿態(tài)和程序執(zhí)行狀態(tài),在異常情況下執(zhí)行掉電保護(hù)、系統(tǒng)復(fù)位和發(fā)送警告等操作。

圖8 信號(hào)采集與數(shù)字主控電路框圖Fig.8 Block diagram of signal acquisition and digital main control circuit

海洋電磁場(chǎng)信號(hào)采集對(duì)實(shí)時(shí)性和功耗有較高要求,主控制器選用STM32H743IIT6 型單片機(jī),該單片機(jī)基于CortexM7 內(nèi)核,其總線、時(shí)鐘樹(shù)部分設(shè)計(jì)優(yōu)良,提升性能的同時(shí)也優(yōu)化了功耗FPGA 選用Altera 公司的EP3C16F484I7,這款芯片有高內(nèi)存/邏輯和乘數(shù)/邏輯比,具備良好的低功耗性能。FPGA 實(shí)時(shí)性好,提供的通道同步采集控制功能。ARM+FPGA 架構(gòu)具備高效性能,ARM 負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制,FPGA 可靈活地進(jìn)行硬件設(shè)計(jì),節(jié)約了硬件體積,提高了系統(tǒng)的集成度[11]。

1.3 海底電磁采集子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ARM 軟件流程圖如圖9 所示。系統(tǒng)初始化完成后進(jìn)入?yún)?shù)配置流程,微控制器(microcontroller unit,MCU)根據(jù)所接收的命令進(jìn)行系統(tǒng)配置,包括采集參數(shù)設(shè)置、存儲(chǔ)設(shè)置和授時(shí)操作等。配置成功后,啟動(dòng)采集并對(duì)各功能模塊上電,開(kāi)啟數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳通道,此時(shí)系統(tǒng)工作在采集模式,MCU 自動(dòng)處理相應(yīng)事務(wù)。采集工作完成后,下發(fā)命令停止采集、保存文件。最后可以通過(guò)開(kāi)艙取SD 卡或網(wǎng)絡(luò)傳輸方式回收數(shù)據(jù)文件。

圖9 ARM 軟件流程圖Fig.9 Flow chart of ARM software

FPGA 狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意如圖10 所示,為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多通道電磁數(shù)據(jù)同步采集功能,程序設(shè)計(jì)了等待、采集和讀取等多個(gè)狀態(tài)。邏輯的基本驅(qū)動(dòng)信號(hào)是復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào),狀態(tài)機(jī)的使用使得數(shù)據(jù)采集的同步性和實(shí)時(shí)性得到了保證,提高了電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖10 FPGA 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.10 FPGA state transfer

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證儀器對(duì)真實(shí)海洋電磁場(chǎng)信號(hào)的采集能力,進(jìn)行了系統(tǒng)性能及整體功能的多項(xiàng)測(cè)試,其中包括硬件本底噪聲測(cè)試、硬件幅相頻率特性測(cè)試、系統(tǒng)功耗測(cè)試以及以太網(wǎng)軟件功能測(cè)試等等。

2.1 電磁場(chǎng)本底噪聲測(cè)試

硬件電路本底噪聲是電路內(nèi)部自然存在的噪聲信號(hào),在采集微弱的海洋電場(chǎng)信號(hào)時(shí),本底噪聲的影響不可忽視。設(shè)計(jì)如下方案對(duì)3 個(gè)電場(chǎng)通道和5 個(gè)磁場(chǎng)通道的本底噪聲進(jìn)行測(cè)試: 首先搭建系統(tǒng)和測(cè)試環(huán)境,對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)傳感器接口進(jìn)行短路,啟動(dòng)采集并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Mirco SD 卡。采集完成后使用MATLAB 程序?qū)?shù)據(jù)文件進(jìn)行分析。通過(guò)功率譜密度分析,電場(chǎng)和磁場(chǎng)通道的噪聲曲線如圖11 所示,圖中下方3 條曲線分別為3 個(gè)電場(chǎng)通道噪聲密度,電場(chǎng)噪聲約為1 Hz;上方5 條曲線分別為5 個(gè)磁場(chǎng)通道的噪聲密度,磁場(chǎng)噪聲約為從曲線趨勢(shì)可以看出,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的通道一致性較好。

圖11 電磁場(chǎng)通道本底噪聲測(cè)試結(jié)果Fig.11 Background noise test results of electromagnetic field channel

2.2 電磁場(chǎng)幅頻特性測(cè)試

圖12(a)是6 個(gè)增益下的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線。從曲線走勢(shì)可以看出: 電場(chǎng)通道滿(mǎn)足帶通濾波特性,6 個(gè)增益下的一致性良好;在1～10 Hz 頻率范圍增益穩(wěn)定,頻率增高至30 Hz 左右有3 dB 增益衰減,同時(shí)頻率降低至0.6 Hz 有3 dB 增益衰減。圖12(b)為電場(chǎng)通道相頻特性曲線圖,可以看出6 個(gè)不同增益下的相位特性一致性較好,在1 Hz時(shí),最大相位差異僅0.21°。從整體上看,隨著頻率增大,相位偏移減小,頻率為0.1 Hz 時(shí)相位偏移接近180°,頻率為100 Hz 時(shí)相位偏移接近-90°。

圖12 電場(chǎng)通道幅相頻率特性測(cè)試結(jié)果Fig.12 Amplitude and phase frequency characteristic of electric field channel

2.3 網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)試

使用JPerf 2.0.2 軟件對(duì)基于lwIP(light weight internet protocol)的以太網(wǎng)速度性能進(jìn)行測(cè)試,JPerf作為傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol,TCP)客戶(hù)端,水下電磁探測(cè)系統(tǒng)作為T(mén)CP 服務(wù)器,基于lwIP 的軟件使用RAW API 接口編寫(xiě)。圖13為網(wǎng)絡(luò)速度折線圖,其中基于lwIP 的以太網(wǎng)通信速度平均為6.32 MB/s。

圖13 網(wǎng)絡(luò)速度折線圖Fig.13 Network speed

2.4 系統(tǒng)集成測(cè)試

為了驗(yàn)證儀器的實(shí)際工作能力,進(jìn)行電場(chǎng)傳感器、磁通門(mén)磁場(chǎng)傳感器及感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器的集成采集測(cè)試。搭建測(cè)試環(huán)境如圖14 所示。測(cè)試在中國(guó)海洋大學(xué)電磁探測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,測(cè)試設(shè)備包括水槽、磁屏蔽筒和被測(cè)電磁采集系統(tǒng)上位機(jī)。水槽用于盛放電極,磁屏蔽筒用于存放磁場(chǎng)傳感器,電磁采集系統(tǒng)和上位機(jī)擺放在實(shí)驗(yàn)桌上。大型磁屏蔽筒能容納感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器、光泵磁強(qiáng)計(jì)等大體積傳感器,其使用特殊合金制成,可將地磁場(chǎng)、環(huán)境干擾磁場(chǎng)屏蔽至小于1 nT。

圖14 系統(tǒng)集成測(cè)試環(huán)境Fig.14 Test environment of system integration

系統(tǒng)集成測(cè)試結(jié)果如圖15 所示,所采用的磁通門(mén)傳感器靈敏度為100 mV/μT,通過(guò)圖中Mx、My和Mz的測(cè)試結(jié)果,得到磁通門(mén)分量噪聲指標(biāo)為通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)傳感器的實(shí)際信號(hào)采集測(cè)試,驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)電磁場(chǎng)信號(hào)綜合采集的能力。

圖15 系統(tǒng)集成測(cè)試結(jié)果Fig.15 Test results of system integration

2.5 系統(tǒng)測(cè)試總結(jié)

系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)Table 1 Parameters of system test

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)水下目標(biāo)電磁探測(cè)需求,結(jié)合海洋電磁探測(cè)系統(tǒng)的儀器實(shí)時(shí)性、綜合性需求,提出面向?qū)崟r(shí)綜合觀測(cè)的海洋電磁記錄儀的設(shè)計(jì)方案,包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)電磁記錄儀系統(tǒng)的研制。并對(duì)其性能和實(shí)際采集效果進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)本底噪聲性能測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)各性能指標(biāo)達(dá)到要求;并使用Ag/AgCl 電極、磁通門(mén)和磁棒進(jìn)行了多傳感器集成測(cè)試,驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)于實(shí)際電磁場(chǎng)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)上傳能力。文中所提方案的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)僅在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,后續(xù)工作將利用模擬源完成海試試驗(yàn),并對(duì)實(shí)際目標(biāo)識(shí)別開(kāi)展進(jìn)一步研究。