深海離線低頻振動信號采集裝置的設計

宋爽，江思杰，黃鑫，李崴，喬文霞，成厚龍

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430205）

引言

隨著人工智能技術的發展，水下航行器由最開始的拖曳式逐漸向自主執行任務的方式進行轉變，無人水下航行器（ Unmanned Undersea Vehicle， UUV）最早由美國國防高級研究計劃局于 20 世紀 60 年代提出。在發展初期，UUV 主要用于深水勘探、沉船打撈、水下電纜鋪設及維修等民用領域，此后，由于軍事沖突愈加頻繁，美國軍方將UUV的應用逐步擴展于水下聲源探測、協助潛艇深水避雷、港口戰術偵察等軍事領域[1]。近十幾年來，隨著水下航行器的推進裝置、導航系統、控制系統與支撐平臺的技術迅猛發展，結合信息化戰爭所提倡的AI智能作戰理念，水下航行器的軍事應用收到了軍事部門與專家的高度重視，并以潛艇為參照物，建立了反潛、反水雷作戰、信息作戰與水下偵察、深海通信等多領域的研究科目與應用場景，使得水下航行器的應用得到了空前發展。

為了滿足水下航行器隱蔽航行的需求，研究水下航行器的振動噪聲顯得至關重要。水下航行器噪聲的產生和傳播途徑存在多樣性，其在航行時，發動機、電動機等高功率設備的持續工作、殼體的振動以及螺旋槳的轉動均會向外輻射噪聲。為了降低水下航行器的總體輻射噪聲，研究人員主要從兩個方面開展研究與分析[2]：

1）水下航行器各個部件的噪聲分布與表征特性的研究分析；

2）水下航行器的系統架構與組成部件本身的固有噪聲的全面評估分析。

分析水下航行器振動和輻射噪聲的目的是為了實現有效的控制，以往研究人員往往通過水聽器等聲學設備，進行各種水下試驗測試其殼體振動和輻射噪聲，研究其振動和噪聲譜的特性，運用現代頻譜分析技術確定主要噪聲源及其對輻射噪聲的貢獻，再根據噪聲源的主次及其頻率特征采取相應控制措施[3]，然而該方法也存在些許問題。

本文從水下航行器振動數據采集的角度出發，分析水下航行器振動數據采集的需求，提出了深海離線低頻振動信號采集裝置的設計方法，并通過試驗對其性能進行了驗證，為水下航行器的設計與研制提供了良好的技術手段，該方法也可以推廣應用于各類水下靜態或動態目標的振動測量。

1 需求分析

水下航行器在航行，發動機、電動機等高功率設備的持續工作、殼體的振動以及螺旋槳的轉動均會向外輻射噪聲[4]。此外由于流體激勵效應的影響，航行時的水流體會對航行器殼體生產不了的沖擊力，從而產生較大的升壓，同時也會對航行器的相關精密設備造成影響。因此，為滿足水下航行器的隱蔽航行的要求，針對水下航行器振動噪聲測量顯得尤為重要。

目前，主流的水下航行器振動測量方法為水下聲場測量法，水下聲場是水下航行器所產生的多種物理場中最為直觀的一種，也是目前水下目標探測非常有效的觀察對象，水下航行器的自適應性與隱蔽性都與水下聲場有著密不可分的關系[5]。水下聲場測量系統主要由水聽器、數據采集與存儲單元組成，其中水聽器為標準型的、全方向性、頻率響應 20 Hz~35 kHz，接收靈敏度為-170±2.0 dB re 1V/μPa；數據采集與存儲單元采用高性能單片機，采樣率高達 48 kHz，具有連續采集模式，動態范圍大于 103 dB，量化精度 24 bits，放大增益倍數可調，存儲容量 128 GB。使用水下聲場測量系統測量水下目標的聲場時，需要先組一條小型漁船，數據采集與存儲單元平穩放置在船艙內，將多個水聽器投入測量區域，監測水下目標的聲場參數[6]。

上述方法雖從結果上實現了水下航行器振動噪聲的測量，但仍然存在些許問題：

1）數據結果的可用性不高。水聽器所測量的結果只是一個相對值，其會受到與水下目標的距離、深度、周圍環境噪聲等參數的影響，因此無法直觀的給出水下航行器具體的噪聲振動指標；

2）測量方法繁瑣，成本極高。每次測量均需要配置一條船只，且船只行進時，由于船只本身的噪聲會影響測量結果，因此只能等船停穩且發動機關閉時才能開展試驗，極為不便；

3）安全性較差。當遇到海況不良時，船只的不穩定會造成儀器設備的損壞、水聽器丟失等，甚至危及測量人眼的人身安全。

綜上所述，水下聲場法的數據結果只能作為參考，無法從本質上解決水下航行器振動噪聲的測量問題，因此，項目組提出了一種滿足深海水壓要求、低噪聲、低功耗、小型化的深海離線低頻振動信號采集裝置，該裝置的使命任務是完成水下航行器的指定區域的振動信號采集，精準獲取水下振動參數，服務于各類深?？蒲袘脠鼍?，為水下航行器的設計、研制、生產、試驗研制提供有效的技術手段。

2 技術方案

深海離線低頻振動信號采集裝置的主要由水密外殼、低噪聲采集板、隔振材料、儲能單元以及壓電式加速度傳感器組成，其中儲能單元、隔振材料與壓電式加速度傳感器布置在裝置下層，低噪聲采集板通過銅鑼柱放置于上層，便于安裝、調試與維護，具體內容如圖1。

2.1 水密外殼

深海離線低頻振動信號采集裝置的水密外殼采用全鈦合金材料制作，頂部端蓋為水密外殼的密封，無外部結果，保證良好的水密性。水密外殼主要分為上下兩層，下層外圍安裝鋰電池組，用來提供穩定的直流續航；下層中部安裝加速度傳感器，用來獲取被測對象振動數據；上層放置兩塊低噪聲采集板，用來接收加速度傳感器所采集的信號。水密外殼結構平面圖如圖2所示。

圖2 水密外殼結構平面圖

詳細技術參數如下：

1）尺寸：Φ70 mm×100 mm；

2）材料：鈦合金；

3）耐水壓：水下200 m；

4）工作溫度范圍：（-20~55）℃；

5）工作相對濕度：20~90 %RH。

2.2 低噪聲采集板

深海離線低頻振動信號采集裝置所選用的振動數據采集單元為自主研發的低噪聲采集板，該采集板主要包括4個部分：主控單片機、AD采樣單元、IEPE驅動單元以及上位機通信單元。低噪聲采集板電路原理示意圖如圖3所示。

圖3 低噪聲信號采集板電路原理示意圖

項目組在設計采集板時，將低功耗、低噪聲兩個標準放在首位，主控單片機選用德儀公司生產的Tiva Cortex M4，該ARM功耗極低，待機電流低至1.6 uA，項目組利用該ARM實現ADC采集、SD卡讀寫、低階濾波抽取與數據處理；AD采樣單元由于LT公司生產的LTC2440 AD采樣芯片與德儀公司生產的THS4521放大電路組成，其中LTC2440是一款高速24位無延遲增量累加ADC，具備較低的功耗與極高的分辨率，而THS4521則具有同類型放大器最優的性能功耗比，兩者的結合將為采集板在保證高分辨率數據采集的同時保持較低的功耗起到關鍵作用；IEPE驅動單元選用德儀公司生產的TL317可調三端穩壓器作為恒流源，為壓電式加速度傳感器提供24 V驅動電壓，該芯片擁有極高的穩定性，具備有效的全過載保護；上位機通信單元用來實現實時通信功能，采用485通信協議，將采集的振動頻譜數據每隔3 min發給上位機發送一次，用于執行離線采集任務前的在線調試。

詳細技術參數如下：

1） 采樣量化位寬：24 bit；

2） 采樣率：500 samples/s；

3） 無混疊帶寬：205 Hz；

4） 等效輸入噪聲密度：100 nV/√Hz；

5） 輸入交流耦合截止頻率：<-3 Hz（-3 dB，一階特性）；

6） 輸入信號范圍：±10 V；

7） 滿量程信噪比：≥130 dB。

2.3 儲能單元

為滿足低噪聲采集的特殊要求，深海離線低頻振動信號采集裝置的儲能單元主要考慮鋰電池、燃料電池等底噪較低的產品，市場上應用較為廣泛的模塊化電池主要有以下四類：鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池。本項目采用18650規格的鋰離子電池作為基本單元，其是直徑18 mm，長65 mm的圓柱形鋰離子電池。18650鋰離子電池的外殼采用鍍鎳鋼材料，額定電壓3.7 V、標稱容量3 000 mAh。如圖4所示。項目組通過多個18650串聯，形成滿足系統供電條件的鋰電池組。

圖4 低噪聲信號采集板電路原理示意圖

2.4 加速度傳感器

為了降低功耗，深海離線低頻振動信號采集裝置僅配備了1臺國產的三軸壓電式加速度傳感器，用于采集深海離線低頻振動信號采集裝置附著點的振動信號（圖5）。由于采集板僅配備了1組IEPE通道，因此深海離線低頻振動信號采集裝置每個工況只能采集一個方向的振動信號，后續可擴展為三個方向同時采集，三軸壓電式加速度傳感器詳細技術參數如下：

圖5 壓電式加速傳感器典型低頻響應曲線

1）靈敏度：500 mV/g；

2）測量范圍：100 g peak；

3）最大振動：40 g rms；

4）底噪：100 Hz 0.4 μV/√Hz；

5）分辨率：0.01 mgrms；

6）頻率范圍：0.1 Hz～2 kHz。

圖6 檔案管理系統部分Web代碼

3 試驗與驗證

為驗證深海離線低頻振動信號采集裝置的性能指標，項目組采用電動振動臺動態模擬出一個標準振動頻譜，測試裝置的離線振動信號采集功能：

1）設置振動臺。開啟振動控制器，將振動試驗條件設置為加速度1 g，正弦振動，頻率1~200 Hz；

2）設備安裝。啟動深海離線低頻振動信號采集裝置，將其通過壓板固定在振動臺上；

3）開啟振動臺。點擊振動控制器上的啟動按鈕，開始振動試驗，此時深海離線低頻振動信號采集裝置持續采集振動數據；

4）讀取數據。振動結束后，取出深海離線低頻振動信號采集裝置內的SD卡，通過筆記本讀取振動數據，如圖7所示。

圖7 檔案管理系統部分Web代碼

試驗結果表明，深海離線低頻振動信號采集裝置測量的振動數據與設定的振動臺試驗條件相符，滿足規定的指標要求。

4 結論

深海離線低頻振動信號采集裝置在一定程度上解決了水下航行器等類型的動態目標振動數據無法有效獲取的問題，從根本解決了這項技術難題。然而，由于項目開發周期太短，還需投入更多的精力在實際使用環境下的水下航行器振動數據獲取。本文從水下航行器振動數據采集的角度出發，分析水下航行器振動數據采集的需求，提出了深海離線低頻振動信號采集裝置的設計方法，并通過試驗對其性能進行了驗證，為水下航行器的設計與研制提供了良好的技術手段，該方法也可以推廣應用于各類水下靜態或動態目標的振動測量。