一種艦船聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法?

肖大為 李 挺 鄭武杰

（1.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）（2.中國(guó)人民解放軍92819部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

艦船在水中航行過(guò)程中，艦船的主、輔機(jī)工作產(chǎn)生機(jī)械噪聲，螺旋槳空化噪聲，船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲以及船體與海水摩擦產(chǎn)生水動(dòng)力噪聲，這些噪聲會(huì)向水中輻射產(chǎn)生艦船噪聲場(chǎng)［1～2］。我國(guó)具有廣闊的海域，需要在某些重點(diǎn)海域監(jiān)測(cè)別國(guó)艦船通過(guò)的情況，并采集這些艦船的聲場(chǎng)信號(hào)特征，針對(duì)這一需要，本文設(shè)計(jì)了一種艦船聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 總體結(jié)構(gòu)

艦船物理場(chǎng)水池測(cè)量系統(tǒng)主要由水聽(tīng)器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存電路、水密通信電纜和通信浮標(biāo)組成。水聽(tīng)器接收艦船聲場(chǎng)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)水聽(tīng)器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存電路的FPGA器件控制A∕D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和SD數(shù)據(jù)儲(chǔ)存卡進(jìn)行聲場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，利用水密通信電纜和通信浮標(biāo)還可將采集到艦船聲場(chǎng)特征信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶Ｉ媳O(jiān)測(cè)量船或者陸地上的監(jiān)測(cè)中心。艦船聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 艦船聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成圖

艦船聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)如圖2所示。水聽(tīng)器安裝在水密儀器艙內(nèi)殼體上，水密儀器艙內(nèi)部安裝信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存電路和RS485通信器件等電路模塊。水密儀器艙和通信浮標(biāo)之間采用水密電纜連接。

圖2 艦船聲場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)工作示意圖

3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)調(diào)理電路

聲信號(hào)調(diào)理電路先對(duì)水聽(tīng)器接收到的小信號(hào)進(jìn)行放大，然后輸出給后面的帶通濾波電路進(jìn)行濾波處理，提高信號(hào)信噪比。信號(hào)調(diào)理電路組成如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路組成圖

綜合考慮功耗和噪聲的要求，濾波器電路設(shè)計(jì)采用凌特公司生產(chǎn)的LT1884型運(yùn)算放大器，其工作電流最大為1mA，該放大器可以在電源電壓為2.7V和36V之間任何功率下工作，高精度軌到軌輸入輸出。

圖4 帶通濾波器二階節(jié)電路原理圖

圖4為采用LT1884型運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的二階節(jié)帶通濾波電路，其對(duì)濾波拐點(diǎn)頻率有非常強(qiáng)的控制能力，可作為構(gòu)成帶通濾波器的基本二階節(jié)［3］。將三個(gè)二階節(jié)濾波電路級(jí)聯(lián)起來(lái)，就構(gòu)成了信號(hào)預(yù)調(diào)理所需的6階帶通濾波器，完成對(duì)聲信號(hào)的預(yù)處理，提高數(shù)據(jù)采集的信噪比［4～5］。

3.2 采集儲(chǔ)存電路

采集存儲(chǔ)電路采集并記錄艦船聲場(chǎng)數(shù)據(jù)，其主要由A∕D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA、ARM和SD數(shù)據(jù)儲(chǔ)存卡組成，采集電路組成如圖5所示。FPGA器件控制A∕D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和SD數(shù)據(jù)儲(chǔ)存卡進(jìn)行聲場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，ARM器件用來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)文件管理和對(duì)外數(shù)據(jù)通信［6～7］。采集存儲(chǔ)電路組成如圖5所示。

圖5 采集儲(chǔ)存電路組成圖

A∕D模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD7671型芯片，該芯片單+5 V供電，采樣精度16位，采樣速率800KSPS（正常模式），最大功耗僅為112mW，適合在采用電池供電的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上應(yīng)用。FPGA選用的XILINX公司最新出品的SPAR?TAN-6系列的XC6SLX9芯片，其擁有144個(gè)管腳，接近100個(gè)可用管腳，含4個(gè)時(shí)鐘倍頻器。

FPGA與A∕D芯片的電氣連接如圖6所示。FPGA為A∕D芯片提供同步時(shí)鐘信號(hào)，其使用了20MHZ的外部晶振，經(jīng)過(guò)分頻后通過(guò)SCLK管腳輸出給A∕D芯片［8］。系統(tǒng)工作時(shí)，F(xiàn)PGA促發(fā)A∕D芯片的CNVST管腳使其開(kāi)始數(shù)據(jù)采樣，A∕D芯片數(shù)據(jù)采樣完成之后其BUSY管腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑現(xiàn)PGA檢到BUSY管腳的低電平信號(hào)，通過(guò)控制CS信號(hào)對(duì)AD芯片采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，數(shù)據(jù)由SDOUT管腳串行輸出［9～10］。

圖6 FPGA與A∕D的電路原理

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊主要由RS485數(shù)據(jù)通信電路、水密通信電纜和通信浮標(biāo)組成。RS485通信電路接收數(shù)據(jù)采集電路輸出的艦船聲場(chǎng)特征信息，然后將這些信息以差分形式通過(guò)水密通信電纜傳送到通信浮標(biāo)。通信浮標(biāo)接收到信息后，通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)將信息傳輸?shù)胶Ｉ系谋O(jiān)測(cè)船或者陸地上的監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)通信模塊組成如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)通信模塊組成圖

通信浮標(biāo)主要由浮球、系索、定位錨、北斗天線、浮體、電子艙等組成。通信浮標(biāo)組成結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中，浮球、系索和定位錨用于固定通信浮標(biāo)在水中的位置，電子艙內(nèi)裝有北斗通信發(fā)射終端機(jī)，通信接口和電池等。

圖8 通信浮標(biāo)組成圖

通信浮標(biāo)的核心器件是北斗通信發(fā)射機(jī)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研制開(kāi)發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)，是繼美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其突出特點(diǎn)是衛(wèi)星數(shù)目少，用戶終端設(shè)備簡(jiǎn)單，能夠滿足對(duì)服務(wù)區(qū)提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)以及簡(jiǎn)短報(bào)文通信服務(wù)［11～12］。

圖9 通信浮標(biāo)與北斗通信示意圖

通信浮標(biāo)與北斗衛(wèi)星、海上監(jiān)測(cè)船和陸上監(jiān)測(cè)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑如圖9所示。利用北斗系統(tǒng)的報(bào)文通信功能，浮標(biāo)電子艙內(nèi)的北斗發(fā)射機(jī)終端機(jī)將艦船特征信息先發(fā)射給北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星系統(tǒng)再將艦船特征信息轉(zhuǎn)發(fā)給裝有相應(yīng)北斗接收終端機(jī)的海上監(jiān)測(cè)船和陸上監(jiān)測(cè)中心，完成對(duì)某一海域通過(guò)艦船的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

艦船聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用西安中星偉業(yè)通信科技有限公司生產(chǎn)的ZXFB型北斗衛(wèi)星終端機(jī)。ZXFB型北斗衛(wèi)星終端機(jī)融合了北斗一代有源通信和北斗二代B1無(wú)源定位的功能，該產(chǎn)品可以適用高鹽霧、高腐蝕海上環(huán)境，具有集成度高、功耗低、尺寸小的特點(diǎn)，非常適合在通信浮標(biāo)上使用。

4 測(cè)量數(shù)據(jù)

艦船聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)海試時(shí)成功測(cè)量并記錄到某一艦船通過(guò)時(shí)的聲場(chǎng)數(shù)據(jù)，如圖10和圖11所示，圖10為艦船聲場(chǎng)的時(shí)域波形，圖11為艦船聲場(chǎng)的頻譜特性。

圖10 測(cè)量到的艦船聲場(chǎng)時(shí)域波形

圖11 測(cè)量到的艦船聲場(chǎng)的頻譜特性

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種艦船聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可測(cè)量?jī)?chǔ)存艦船通過(guò)時(shí)的聲場(chǎng)信號(hào)，并利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的報(bào)文通信功能實(shí)時(shí)報(bào)送艦船通過(guò)時(shí)的特征信息，可完成監(jiān)測(cè)某些重點(diǎn)海域艦船通過(guò)情況的任務(wù)。