艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量技術

張貴榮, 梁國杰

(中國人民解放軍92601部隊， 廣東 湛江 524009)

0 引 言

艦艇垂向波浪補償裝置是通過壓力實現艦艇垂向波浪的穩定性控制，結合反饋補償控制的方法，實現艦艇垂向波浪抑制，提高艦艇垂向的穩定性[1]。在進行艦艇垂向波浪補償裝置的質量維護過程中，需要對艦艇垂向波浪補償裝置的壓力進行精確計量和測量，構建艦艇垂向波浪補償裝置的壓力測量模型，通過壓力傳感器裝置，進行艦艇垂向波浪補償裝置的壓力數據采集，結合信息融合和特征分析技術，實現艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量，提高艦艇的穩定性，相關的艦艇垂向波浪補償裝置壓力傳感測量方法研究受到人們的極大關注。

對艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量是建立在對壓力傳感數據采集和信息融合基礎上，結合傳輸延時分配方法和統計分析方法，進行傳感信息跟蹤融合和特征匹配，實現壓力的精確計量[2-3]，但傳統方法進行艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量中存在誤差擾動較大和特征分辨能力不好的問題。對此，本文提出基于分布式陣列傳感量化融合跟蹤檢測的艦艇垂向波浪補償裝置壓力測量技術。采用壓力傳感器進行艦艇垂向波浪補償裝置的壓力數據采集，對采集的艦艇垂向波浪補償裝置壓力數據進行融合處理，結合譜分析方法，進行壓力傳感測量，并實現對壓力傳感測量系統的硬件設計，最后進行仿真測試分析，展示了本文方法在提高壓力傳感測量能力方面的優越性能。

1 壓力數據采集和融合處理

1.1 波浪補償裝置的壓力數據采集

為了實現對艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量，首先構建艦艇垂向波浪補償裝置的壓力數據采集模型，采用壓力傳感器進行原始壓力數據采集，考慮由N個壓力傳感器節點組成的壓力測量陣列，采用分布式陣列組網設計的方法[4]，進行補償裝置的壓力測量，得到測量方程描述為：

x(k+1)=A(k)x(k)+Γ(k)w(k),

(1)

zi(k)=Hi(k)x(k)+ui(k),i=1,2,…,N,

(2)

其中，x(k)∈Rn×1為壓力狀態；A(k)∈Rn×n為狀態轉移矩陣；w(k)表示壓力傳感器的陣列能量分布向量，表示為均值為零且方差為Q(k)的干擾分量；Γ(k)為壓力傳感信號中心頻率；zi(k)∈Rp×1為第i個傳感器的進行艦艇垂向波浪補償裝置壓力信息采集的測量值；Hi(k)∈Rp×n為相應的測量矩陣；壓力信息測量的干擾信息分量ui(k)∈Rp×1是均值為零且方差為Di(k)的高斯白噪聲。

通過優化陣元分布進行壓力傳感器部署，得到傳感器監測的基元向量w(k)與測量數據ui(k)之間的關聯性特征分布，壓力信息測量的最優傳感節點部署模型為：

(3)

壓力信息測量的傳感器陣元初始狀態x(0)均值為x0，方差為P0，且獨立于w(k)和ui(k)，i=1,2,…,N。基于分布式陣列傳感量化融合跟蹤的方法進行壓力數據采集，得到統計特征量：

(4)

其中，艦艇垂向波浪補償裝置的輸出量化噪聲qi(k)的方差滿足：

(5)

其中，Δi(k,r)表示k時刻第i個測量節點檢測到的艦艇垂向波浪補償裝置壓力信息，對第r個分量壓力信號進行分段濾波，固定量化步長，r=1,2,…,p。得到艦艇垂向波浪補償裝置的傳感壓力信息采樣輸出為：

(6)

根據對艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感原始數據采集結果，結合數據聚類和信息融合的方法，進行壓力測量。

1.2 壓力數據的融合處理

在上述采用壓力傳感器進行艦艇垂向波浪補償裝置的壓力數據采集的基礎上，對采集的艦艇垂向波浪補償裝置壓力數據進行融合處理[5]，在固定陣元個數、平均陣元間距的條件下，得到壓力測量的擴維測量方程可表示為：

M(k)=H(k)x(k)+V(k),

(7)

E[V(k)VT(k)]=

(8)

壓力數據序列的柵瓣與信號帶寬之間的關聯特征量w(k)與V(k)的相關性為：

E[w(k)VT(k)]=

(9)

由于RV(k)是一正定的實對稱陣，采用自適應波束形成方法，進行脈沖寬度估計和譜特征提取[6]，并將RV(k)唯一地分解為：

RV(k)=L(k)R(k)LT(k),

(10)

其中，R(k)=diag{r1(k),r2(k)…,rNq(k)}為線性調頻對角陣；L(k)為單位下三角陣，采用模糊聚類方法進行壓力數據的融合處理，在融合中心，得到艦艇垂向波浪補償裝置壓力擴維測量方程可以轉化為:

(11)

其中,

(12)

結合高階譜特征提取方法[7]，得到艦艇垂向波浪補償的壓力補償輸出為：

(13)

(14)

結合上述算法設計，實現對壓力傳感數據融合處理，根據數據融合結果進行量化跟蹤識別，提高壓力測量的準確性。

2 壓力傳感測量算法優化

在上述進行了數據采集的基礎上，進行壓力傳感測量優化，本文提出基于分布式陣列傳感量化融合跟蹤檢測的艦艇垂向波浪補償裝置壓力測量技術，提取壓力數據的能量譜特征量，采用高階譜的譜峰識別技術實現艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量[8]，測量方程為:

(15)

其中,

(16)

(17)

(18)

以陣列能量為約束對象，得到c(k)=tr[N(k)]/tr[C(k)]，當輸出的狀態特征量滿足：

(19)

得到壓力傳感測量的適應度函數為：

(20)

(21)

Y(k|k-1)={I-F(k-1) [F(k-1)+

(22)

(23)

(24)

(25)

其中：

(26)

(27)

3 系統硬件設計與實現

在上述進行了艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量算法設計的基礎上，進行系統的硬件設計，在集成DSP環境下進行壓力傳感測量系統的嵌入式設計，壓力測量系統主要由AD信息采集模塊、艦艇垂向波浪補償控制模塊、總線傳輸模塊、上位機通信模塊、壓力信息處理模塊和人機交互模塊等構成[10]，系統的總體設計構架如圖1所示。

圖1 壓力測量系統的總體設計構架

Fig. 1 The overall design architecture of the pressure measurement system

在DSP高速信號處理芯片中，進行艦艇垂向波浪補償裝置壓力測量系統的硬件開發，采用32位嵌入式設計方法進行艦艇垂向波浪補償裝置壓力測量系統的輸出信息采樣，采用ADI公司的ADSP21160處理器系統作為嵌入式處理器，使用ADI公司的EE-NOTE68設計艦艇垂向波浪補償裝置壓力測量系統的上位機，得到系統的硬件設計如圖2所示。

圖2 系統硬件設計電路圖

4 實驗測試分析

為了測試本文方法在實現艦艇垂向波浪補償裝置的壓力測量中的性能，進行實驗分析，設定壓力測量的多通道數據記錄動態范圍：-10 dB～+20 dB，艦艇垂向波浪補償裝置的壓力信息采樣率：≥200 KHz，艦艇垂向波浪補償裝置的控制指令脈沖寬度為2 s，壓力傳感信號的調制幅度在4 V以內，得到艦艇垂向波浪補償裝置的壓力測量輸出如圖3所示。

圖3 艦艇垂向波浪補償裝置的壓力測量輸出

Fig. 3 Pressure measurement output of ship vertical wave compensation device

分析圖3得知，采用本文方法能有效實現對艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量，測量輸出的譜峰較高，說明抗干擾性較好。測試不同方法進行壓力測量的準確性，得到對比結果如圖4所示，分析圖4得知，本文方法進行艦艇垂向波浪補償裝置壓力測量的精度較高，誤差較小。

圖4 測量準確性對比

5 結束語

構建艦艇垂向波浪補償裝置的壓力測量模型，通過壓力傳感器裝置，進行艦艇垂向波浪補償裝置的壓力數據采集，本文提出基于分布式陣列傳感量化融合跟蹤檢測的艦艇垂向波浪補償裝置壓力測量技術。采用壓力傳感器進行艦艇垂向波浪補償裝置的壓力數據采集，對采集的艦艇垂向波浪補償裝置壓力數據進行融合處理，采用高階譜的譜峰識別技術實現艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量。采用ADI公司的ADSP21160處理器系統作為嵌入式處理器，進行壓力傳感測量系統的硬件設計。分析得知，本文方法能有效實現對艦艇垂向波浪補償裝置的壓力傳感測量，測量精度較高，誤差較小。