一種水下等離子體聲源充放電控制系統設計

張曉亮

(水聲對抗技術重點實驗室，中國船舶工業集團公司船舶系統工程部，北京 100036)

一種水下等離子體聲源充放電控制系統設計

張曉亮

(水聲對抗技術重點實驗室，中國船舶工業集團公司船舶系統工程部，北京 100036)

介紹一種水下等離子體聲源充放電控制系統的設計方案，能為水下強聲源干擾對抗控制提供一種解決途徑，設計的充放電控制系統能實現對多個等離子體聲源的充放電進行遠程操控，并監控工作狀態?？刂葡到y設計上選取高精度器件，并采取了一系列防護措施，以適應復雜的工作條件，并滿足微秒級高精度時序控制要求。

水聲對抗;控制系統;充電控制;觸發控制;等離子體聲源

0 引言

水下等離子體聲源是一種高強度、寬帶可控聲源，能產生比傳統換能器更高的聲源級，且具有聲源體積小、頻響范圍寬、聲源級高、電聲轉換效率高、發射方式可調和可編程控制等顯著特點，多個聲源集束發射，能獲得增強的聲信號強度，作為一種新的高效的水下強聲聲源，可用于對敵方聲吶和魚雷等進行干擾、壓制、毀傷等水聲對抗措施。為了能使水下等離子體聲源能有效用于各種水聲對抗應用，需要對水下等離子體聲源的控制系統進行專門設計。本文介紹一種水下等離子體聲源充放電控制系統的設計方案，能對多個等離子體聲源進行遠程操控，實現幾十千伏高壓的充放電控制，監控各聲源的充電電壓、充放電狀態和故障狀態，可控制充電速度，可設定多種觸發模式，可實現以下微秒級的高精度多通道觸發時序控制：

1 控制系統設計

水下等離子體聲源充放電控制系統的設計不僅要能實現各種操控功能，還要考慮其特殊的應用環境，滿足用于水聲對抗的使用需求。

1.1 系統組成

水下等離子體聲源充放電控制系統主要由主控設備、控制機箱等組成，如圖1所示。

主控設備為主控軟件的運行平臺，嵌入了1塊用于同控制機箱間進行信息交互的通信卡。通過主控軟件操作界面顯示聲源發射系統和控制系統狀態信息，設定工作參數，發送操控指令，實現時延解算、邏輯功能控制和多元反饋信息接收顯示等人機交互操控。

圖1 水下等離子體聲源充放電控制系統組成框圖Fig．1 Underwater plasm sound source charge and discharge control system composing

控制機箱為各功能板卡的載體，與聲源發射系統一起安裝于水下艙體內，為適應水下密閉的工作環境，控制機箱選用低功耗小型工控機，由艙體電源提供直流供電。通過通信纜接收主控設備發送的多通道控制信息，分別控制多通道發射聲源的充放電和觸發狀態，采集等離子體聲源發射系統各基元的反饋信息，并上傳給主控設備。

控制機箱的功能由裝載的各功能板卡實現，如圖2所示，各功能板卡主要包括：

1)多通道數據采集卡，用于實時采集發射系統各聲源的反饋信號;

2)多通道模擬輸出卡，用于向發射系統各聲源輸出設定模擬信號;

3)多通道高精度數字IO卡，用于向發射系統各聲源發送觸發脈沖控制信號;

4)通道保護卡，用于多通道瞬態高壓抑制和瞬態強電流抑制，保護各功能板卡;

5)通信卡，用于主控設備和控制機箱間的雙工通信。

圖2 控制機箱內部板卡信息流程圖Fig．2 Inner board infermation flow chart

為實現對水下等離子體聲源的遠程操控，主控設備與控制機箱間的信息傳輸采用RS485/422通信協議，并選用符合RS485電氣特性的雙絞屏蔽防水電纜，可實現上千米的遠距離傳輸。

1.2 功能設計

水下等離子體聲源充放電控制系統主要實現對聲源發射系統的充放電操控和顯示，并根據實際使用需求，可實現故障監控等安全警示功能。

1)具有人機交互顯控操作功能，顯示系統工作狀態，設定系統工作參數，操控指令發送等;

2)具有高壓充電控制功能，設定充電高壓值，控制充電速度，并監控充電狀態;

3)具有觸發放電控制功能，按時序邏輯和基元組合方式控制多個基元觸發放電;

4)具有高壓降壓控制功能，控制聲源發射系統對多個基元進行降壓，并監控降壓狀態;

5)具有工作模式選擇功能，設定不同工作模式，選擇充放電周期、基元組合等;

6)具有狀態告警功能，對設備故障、充電過壓、超時保壓等異常情況進行聲光告警。

1.3 流程設計

為確保水下等離子體聲源的正常工作，對控制系統的工作流程進行優化設計，實現完成各功能所需的信息采集、信息設定、信息傳輸、顯示、操控等過程。

1)系統自檢

在系統工作前，為確保系統正常、安全運行，對系統各組成部分的供電狀態、功能、通信等進行自檢，并將自檢結果反饋給主控軟件顯示，系統自檢流程如圖3所示。

2)工作通道選擇

選擇系統當次工作所需要的放電通道，充放電控制操作只對選定的通道有效。

3)工作模式選擇

選擇系統當次工作的模式，可以有單次觸發模式、連射觸發模式和齊射觸發模式3種。單次觸發模式為手動單次觸發，連射觸發模式為各選定通道按時序依次觸發，齊射觸發模式為各選定通道同步觸發。

4)工作參數設定

設定觸發間隔、觸發波次、監控刷新頻率等參數。

工作通道選擇、工作模式選擇、工作參數設定3個操控在主控設備上完成，依據這3項設定在控制機箱中形成對各通道觸發的控制時序。

5)充電電壓設定

圖3 系統自檢流程圖Fig．3 System test-self flow chart

設定當次放電所需的充電電壓，由控制機箱給發射系統的充電電壓設定電平信號的電壓和電流控制發射系統完成充電過程。

6)充電狀態顯示

發射系統向控制系統反饋充電狀態，包括實時充電電壓顯示、充電完畢狀態顯示。此外，為防止充電完畢后長時間不觸發情況下，充電保持時間過長，在控制系統中對充電保持狀態進行監控，若超過充電保持時間，在顯控界面上報警提示，如圖4所示。

圖4 充電狀態告警流程圖Fig．4 Charge state alarm flow chart

7)觸發放電

充電完畢后，按下觸發放電按鈕，控制機箱接收到觸發放電控制命令，依照前面設定生成的各通道觸發控制時序，向發射系統發送觸發控制脈沖信號，完成觸發放電。

8)觸發狀態顯示

發射系統向控制系統反饋觸發放電狀態信號，由控制機箱接收后發送給主控設備實時顯示。

9)充電停止

觸發放電完畢或充電完畢不觸發情況下，按下充電停止按鈕，控制機箱停止向發射系統發送充電電壓設定信號，發射系統停止充電開始卸壓。

10)卸壓狀態顯示

發射系統向控制系統實時反饋卸壓電壓，直至卸壓完畢，向控制系統發送卸壓完畢狀態信號，控制系統顯控界面實時顯示卸壓狀態。

1.4 性能設計

由于水下等離子體聲源產生的強聲脈沖脈寬為微秒量級，在用于水聲干擾時，為形成持續的強聲壓制，需要控制多個基元進行連續觸發放電，不同通道的觸發信號在時序上要有交叉;在用于水聲偽裝時，為形成特定的聲頻特征，需要控制基元依照一定的時序進行觸發放電;在用于強聲毀傷時，為形成強聲能量匯聚，需要控制多個基元依照解算時序進行觸發放電，使多個強聲脈沖同時到達聚束點。這些實際應用都需要水下等離子體聲源充放電控制系統具有高精度的多通道時序控制能力，為此，在控制機箱設計時，選用了高精度的多通道數字IO卡來實現觸發脈沖控制，板卡內部有最高30 MHz時鐘源，時間精度可達納秒級，最小邊沿觸發脈沖寬度10 ns，且可編程控制，能滿足微秒級的高精度多通道控制時序需求，如圖5所示。

圖5 高精度時序控制測試圖Fig．5 High precision schedule coutrol test

水下等離子體聲源充放電控制系統的工作環境非常復雜，頻繁的幾十千伏高壓充放電會產生復雜的電磁環境，如強電磁輻射、高壓串擾、強電流串擾等，這種復雜的電磁環境遠遠超出了普通控制信號電路的承受范圍，容易造成電路燒毀、通信異常等，因此，要求設計的控制系統具有可靠的抗干擾能力，以確保控制系統可正常工作。經過仔細的分析設計和試驗摸索，總結出以下抗干擾措施：

1)采用光電隔離措施，功能板卡各輸入輸出通道均設計光電隔離模塊;

2)采用瞬態抑制保護，功能板卡帶抗高壓隔離保護模塊，針對輸入輸出電壓和電流信號專門設計通道保護卡，對瞬態高壓和瞬態強電流進行抑制保護;

3)采用電磁屏蔽措施，所有連接線均選用屏蔽線，通信電纜選用雙絞屏蔽電纜，控制機箱選用屏蔽機箱;

4)采用接地措施，所有電纜屏蔽層良好接地，所有機箱外殼良好接地。

2 結語

本文提出的水下等離子體聲源充放電控制系統設計方案充分考慮了聲源的使用需求，在滿足基本充放電操控功能的同時，從可靠性安全性角度出發，增加了對充放電過程的實時遠程監控。此外，由于控制機箱安裝于水下密閉艙體中，且在高壓觸發放電產生的強電磁輻射和高壓串擾的復雜環境下工作，避免不了受電磁輻射、瞬態高壓和瞬態強電流的影響，因此，系統設計時選用了低功耗、低散熱的元器件，并設計了各種隔離保護措施，經初步驗證，這些措施都是有效的，充放電控制系統工作穩定，能實現預期的各種功能和高精度的時序控制，但要想控制系統能在這樣的復雜環境下長時間穩定工作，減少系統維護，還需通過試驗測試，進行優化完善，進一步提高系統的可靠性。

A design for underwater plasm sound source charge and discharge control system

ZHANG Xiao-liang
(Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory，Systems Engineering Research Institute of China State Shipbuilding Corporation，Beijing 100036，China)

This paper introduced a design for charge and discharge control system that used to underwater plasm sound source，supplied a resolvent for high-energy sound source control．It can implement long-distance operation for multi-channel simultaneity，and watch the operation status．There are highprecision electro-elements used in system，and adopted series safeguard for abominable operation condition．It is met the design requirement that the time control precision is microsecond level．

underwater acoustic antagonizing;control system;charge and discharge control;trigger control;plasm sound source

TB56

A

1672－7649(2012)07－0092－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.020

2011－05－25

張曉亮(1979－)，男，碩士，工程師，從事水聲工程研究。