水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中船重工安譜（湖北）儀器有限公司 鄭 舟 鄭學(xué)書 尤 紅

引言

隨著艦船、潛艇隱身技術(shù)的提高，艦船和潛艇聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、水壓場(chǎng)等傳統(tǒng)物理場(chǎng)的研究日益成熟，目標(biāo)的聲特征檢測(cè)和預(yù)估越來越困難。水下電場(chǎng)信號(hào)是繼聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、水壓場(chǎng)之后對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別和定位的重要物理場(chǎng)，近些年引起了國內(nèi)外廣泛的研究。現(xiàn)代艦船、潛艇和水下航行器一般由多種合金材料構(gòu)成，推進(jìn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生軸頻（低頻）電磁場(chǎng)幅射。不同艦船、潛艇和水下航行器形成的電場(chǎng)存在不同，因此可將艦船、潛艇和水下航行器周圍電場(chǎng)信號(hào)作為目標(biāo)檢測(cè)的重要參數(shù)。

目前美國、俄羅斯、加拿大等國家在水下電場(chǎng)測(cè)量、目標(biāo)識(shí)別上已經(jīng)開展了大量卓有成效的工作，而我國在水下電場(chǎng)測(cè)量方面還趨于空白，水下電場(chǎng)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的研究具有重要意義。因此本文設(shè)計(jì)了一款水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為水下電場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量提供解決方案。

1.水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)分為四大部分：前端信號(hào)感應(yīng)電極，低噪聲放大采集模塊，上位機(jī)，電源模塊。

圖1 水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)框圖

前端信號(hào)感應(yīng)電極將電極感應(yīng)電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱電壓信號(hào)；低噪聲放大采集模塊對(duì)微弱模擬信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，F(xiàn)PGA單元控制ADC模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集傳輸；上位機(jī)集中控制試驗(yàn)平臺(tái)，分析處理接收到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示、電場(chǎng)數(shù)據(jù)處理等功能。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電。四大組成部分功能上相互獨(dú)立，系統(tǒng)上密切關(guān)聯(lián)，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維護(hù)及后期升級(jí)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 前端信號(hào)感應(yīng)電極

由于海水中電場(chǎng)信號(hào)及其微弱，信號(hào)幅度通常在毫伏級(jí)，因此要求水下電場(chǎng)感應(yīng)電極具有更低的噪聲和更高的穩(wěn)定性。

大量的實(shí)驗(yàn)表明，將銀-氯化銀(Ag-AgCl)按某一比例配方以粉末冶金工藝制成的電極在海水中具有良好的電化學(xué)性能，這從銀-氯化銀本身的導(dǎo)電機(jī)制可定性加以說明。其一，Ag在實(shí)驗(yàn)室條件下較容易提煉成純態(tài)，從而排除了由于雜質(zhì)造成的電池效應(yīng)，且純銀在一定溫度的環(huán)境下(如海水環(huán)境)電化學(xué)穩(wěn)定性較好；其次，海水導(dǎo)電的物質(zhì)載體是氯離子，銀-氯化銀與海水接觸后,在固相與液相的接觸面上，參與導(dǎo)電的主要載體是同一化學(xué)成分，這就使得電化學(xué)噪聲降到最低。

前端感應(yīng)電極采用低噪聲、高穩(wěn)定性的銀-氯化銀作為探頭，電極自噪聲<5nV/Hz0.5@1Hz，帶寬0.1～1000Hz，穩(wěn)定極差不大于1mV/24h。設(shè)計(jì)三分量垂直支架，采用三對(duì)電極分別感應(yīng)縱向、橫向及垂直方向的電場(chǎng)分量，感應(yīng)電極極間距為25cm。電極與采集系統(tǒng)通過水密屏蔽線纜相連，三分量電極如圖2所示。

圖2 三分量感應(yīng)電極

2.2 低噪聲放大采集電路

低噪聲放大采集模塊對(duì)微弱模擬信號(hào)進(jìn)行放大采集，包括微弱信號(hào)放大調(diào)理電路和數(shù)字采集電路。

由電極性能指標(biāo)（自噪聲<10nV/Hz0.5@1Hz，帶寬0.1～1000Hz）可知，前置放大電路自噪聲定為<10nV/Hz0.5@1Hz，能夠滿足電極應(yīng)用。電場(chǎng)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍過大，為避免電路飽和，放大電路采用一級(jí)放大-濾波-二級(jí)放大的形式。第一級(jí)放大電路為低噪聲放大器，增益為100；濾波電路實(shí)現(xiàn)0.1Hz～1000Hz頻段濾波；第二級(jí)放大電路為可調(diào)增益放大器，實(shí)現(xiàn)1/5/10/100增益可調(diào)。

由前置放大電路的指標(biāo)可知，待測(cè)信號(hào)電壓非常微弱，這對(duì)放大電路的噪聲提出了很高的要求。由于采用運(yùn)放搭建電路需要相關(guān)匹配電路，引入較大噪聲。就目前市場(chǎng)上的低噪聲運(yùn)放的噪聲指標(biāo)來看，直接選用低噪聲集成運(yùn)放搭建總體噪聲很高，很難滿足系統(tǒng)要求，因此必須選擇具有更低噪聲的場(chǎng)效應(yīng)管等分立元件來搭建第一級(jí)低噪聲前置放大電路，如圖3所示。

圖3 低噪聲放大器

信號(hào)調(diào)理部分將第一級(jí)放大電路輸出信號(hào)濾波， 0.1Hz～1000Hz，增益為1。帶通濾波級(jí)采用“高通+低通”濾波形式，其中低通濾波器采用4階，高通濾波器采用2階。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)，其電路結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 帶通濾波電路

信號(hào)采集模塊實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過FPGA控制，采用RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)。

水下電場(chǎng)信號(hào)以低頻信號(hào)為主，因此AD采集的信號(hào)在0.1Hz～1000Hz之間，根據(jù)香農(nóng)采樣定律可知，為了保證信號(hào)完整性，采樣頻率必須大于等于信號(hào)頻率的2倍，為了方便后期傅立葉變換，AD采集的速率擬設(shè)定為4.096k，每次采集的時(shí)間為8s，一次采集的數(shù)據(jù)量為32768個(gè)。

FPGA控制單元包括時(shí)鐘控制、ADC控制、RAM控制等模塊，通過綜合控制模塊控制。綜合控制模塊是單通道采集系統(tǒng)的控制核心，完成設(shè)備參數(shù)設(shè)定、自檢控制、硬件電路工作狀態(tài)檢測(cè)等功能；時(shí)鐘控制模塊提供各個(gè)模塊時(shí)鐘命令，控制各個(gè)模塊同步工作狀態(tài)；由于單通道數(shù)據(jù)量不大，采用RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，RAM控制模塊控制采集數(shù)據(jù)、事件、命令等進(jìn)行存儲(chǔ)上傳，供調(diào)試人員讀取分析，并能在存儲(chǔ)容量不足等異常狀態(tài)時(shí)發(fā)出警告；驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)約定的通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)利用RS485輸出。FPGA模塊整體設(shè)計(jì)采用VerilogHDL語言，在QuartusII 11.0環(huán)境下編寫。

2.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)接收處理FPGA控制中心傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)，具備顯示控制功能，同時(shí)能對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括數(shù)據(jù)濾波、傅里葉變換等，上位機(jī)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 上位機(jī)系統(tǒng)框圖

上位機(jī)通過RS485傳輸控制系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，與前端硬件電路實(shí)現(xiàn)通信。前端多通道傳輸數(shù)據(jù)在處理之前，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)截取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作。利用上位機(jī)軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括電場(chǎng)數(shù)據(jù)濾波、傅里葉變換等基本數(shù)據(jù)處理。

3.測(cè)量結(jié)果分析

水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)硬件如圖6所示，三路信號(hào)（X/Y/Z）輸入，兩路信號(hào)（模擬與數(shù)字）輸出。

圖6 水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)性能測(cè)試

利用函數(shù)信號(hào)發(fā)射器和示波器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本性能測(cè)試，主要包括增益、帶寬和噪聲。模擬系統(tǒng)增益帶寬如表1所示。

表1 模擬系統(tǒng)增益帶寬測(cè)量

在實(shí)驗(yàn)室中，可采用兩種方式測(cè)量系統(tǒng)噪聲，一種是利用頻譜儀觀察頻譜密度，另一種是利用示波器觀察一定帶寬內(nèi)的噪聲峰峰值，根據(jù)噪聲功率譜的分布計(jì)算噪聲功率的大小。

利用示波器進(jìn)行系統(tǒng)自噪聲測(cè)量，將輸入端短路，觀察系統(tǒng)模擬輸出。示波器顯示自噪聲峰峰值如表2所示。

表2 模擬系統(tǒng)噪聲測(cè)量

利用上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)自噪聲測(cè)量。將系統(tǒng)連接上位機(jī)，輸入端短路，觀察輸出功率譜，系統(tǒng)噪聲性能如圖7所示。

圖7 上位機(jī)測(cè)量前端噪聲性能

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室中搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，試驗(yàn)平臺(tái)包括海水水箱、信號(hào)發(fā)生裝置、信號(hào)發(fā)射電極、三分量電極傳感器、示波器、電腦和水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

圖9 水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出1mV、10Hz正弦波，加載到一對(duì)金屬貼片上，將金屬貼片放入水箱中，水箱中即覆蓋了10Hz電場(chǎng)信號(hào)。將電極放入水箱中，采用系統(tǒng)樣板測(cè)試水下電場(chǎng)信號(hào)。

實(shí)際空間中包含工頻等干擾信號(hào)，測(cè)試水箱中電磁環(huán)境復(fù)雜，實(shí)測(cè)模擬輸出如圖9所示，模擬輸出波形包含較大的工頻干擾。

經(jīng)過上位機(jī)濾波后，信號(hào)波形及其頻譜如圖10所示，信號(hào)波形顯著改善，頻譜上10Hz處信號(hào)譜線明顯。

圖10 上位機(jī)顯示濾波波形及頻譜示例

4.結(jié)論

本文根據(jù)水下電場(chǎng)測(cè)量的需求，設(shè)計(jì)了一款水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，提出了硬件與軟件完整的解決方案。通過在實(shí)驗(yàn)室中搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，證明該系統(tǒng)能夠完成水下電場(chǎng)信號(hào)放大采集分析處理。

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