艦船尾流氣泡檢測系統設計

張 沖，袁志勇，張 銳，柏廣強，李京倫

(海軍工程大學， 武漢 430033)

【裝備理論與裝備技術】

艦船尾流氣泡檢測系統設計

張 沖，袁志勇，張 銳，柏廣強，李京倫

(海軍工程大學， 武漢 430033)

為了便于進行艦船尾流的測量試驗，開展艦船尾流聲反射強度隨發射聲信號頻率、時間的變化規律，不同艦船目標尾流的長度、寬度和厚度以及尾流特性等研究，提出了艦船尾流氣泡檢測系統設計方案，制作了實驗樣機，并在水池中進行了簡單的測試，結果表明：實驗樣機氣泡檢測功能正常，可用于實驗室水池測量教學實驗和湖海試驗，對進一步開展尾流自導系統試驗研究有重要意義。

尾流氣泡；檢測系統；水聲換能器；發射聲功率

尾流自導魚雷對目標艦船實施探測、跟蹤、攻擊,是利用艦船航行形成的尾流場與周圍水域的物理特性差異[1-4]。其探測機理決定了它具有很強的抗干擾能力、較遠的自導距離和很高的命中概率[5-6]。目前眾多國家和地區已大量裝備了此類魚雷,這都使得尾流自導魚雷成為當今水面艦船航行安全的最致命威脅。因此，世界各國競相加強對尾流特性、尾流自導技術、尾流自導魚雷和對抗尾流自導魚雷技術的研究。

我海軍裝備的尾流自導魚雷，其技術主要是借鑒俄羅斯聲尾流自導技術，目前對艦船尾流的幾何特性與目標特性等重要因素的關系不是很清楚。因此，急需投入一定的人力物力，加強對水面艦船尾流特性的基礎性試驗，為此提出艦船尾流氣泡檢測系統設計方案，可以用于實驗室水池測量教學實驗和湖海試驗。

1 尾流氣泡檢測系統總體設計

尾流氣泡檢測系統分為水下裝置、岸上顯控裝置和電纜。水下裝置由發射機、接收機、信號處理機3個部件組成。岸上裝置包括+27 V、+60 V供電電源、計算機等，檢測系統組成如圖1所示。

設計實物如圖2。

圖1 尾流氣泡檢測系統組成示意圖

圖2 尾流氣泡檢測系統實物圖

發射機由DDS信號源及其附帶的濾波器、功率放大電路模塊、通道選擇電路模塊、匹配網絡和發射換能器這幾個模塊構成；接收機由接收換能器及其附帶的前置放大器、檢波積分電路、程控放大電路等模塊構成；信號處理機是尾流氣泡信號檢測及控制整個系統工作的核心組件，由電源電路、A/D轉換模塊、DSP模塊、485接口模塊、I/O口驅動芯片、信號燈等組成。其中DSP模塊是信號處理機核心，模塊的硬件結構創新性的采用“DSP+FPGA”的構架，在該構架中FPGA負責管理各個外設的通信，并將獲得的數據傳遞給DSP，而DSP只需專注于數據的處理，兩者各司其職，可以充分發揮DSP的高速信號處理性能，從而滿足處理系統在高速采樣率、大數據傳輸方面的需求。此外，為了盡可能探測到尾流中更多不同半徑的氣泡，該檢測系統在發射機發射信號模式上采用了大帶寬、多通道(4個通道)、高功率的方式，提高了發射信號的頻帶寬度。接收機系統采用數字程控衰減技術設計，放大倍數可大范圍程控調節。系統的總體結構如圖3所示。

圖3 系統總體結構

2 系統工作原理及流程

工作原理：檢測系統使用主動式尾流氣泡檢測，水下裝置垂直向上發射高頻率聲脈沖，此脈沖通過周圍海水中的雜質及海面反射回來，形成體積混響及海面混響。水下裝置上方沒有尾流氣泡時，接收到的回波信號小于平滑后的混響電平，信號處理機判定為無尾流氣泡。一旦水下裝置上方有尾流氣泡，由于氣泡對聲的反射，尾流氣泡檢測系統接收到的氣泡散射信號大大高于平滑后的混響電平且持續一段時間，信號處理機判定為有尾流氣泡。無尾流氣泡和有尾流氣泡反射時接收回波波形示意圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 無尾流時接收回波波形示意圖

圖5 有尾流時接收回波波形示意圖

檢測系統接受通道接收的有效回波信號是尾流中氣泡產生的體積混響，干擾源是在無尾流時海水中的海面混響、體積混響以及海洋環境噪聲干擾之和，在探測脈沖信號發射后規定的檢測時間內，對有尾流反射(含海面反射)的能量與無尾流反射的能量的比較，如圖6所示。

圖6 尾流檢測的時間判斷依據

圖6中：τ0為接收管制時間；τg為從τ0開始，到門限器件動作的時間；τe為接收到的水聲信號聲壓超過門限器件動作門限值的時間；pg為按背景干擾聲壓，經自適應調整確定的門限器件動作的門限值聲壓；oτ為橫坐標(ms)，以探測脈沖發射時刻為起點；op為縱坐標(Pa)，接收通道接收到的水聲信號聲壓。

根據τe和τg值，由檢測尾流的時間判據，判定該時刻檢測系統的接收通道能否檢測到尾流：當τe<τg時，未檢測到尾流；當τe>τg時，檢測到尾流。

工作流程：首先將硬件系統通過USB接口與計算機連接，系統上電后，打開計算機登陸軟件系統主界面，登陸參數設定模塊。通過參數設定模塊的可視化界面輸入 DDS信號源所要產生信號的頻率控制字、脈沖寬度τ與工作周期T、選擇發射換能器通道和設定保存數據的文件名，DDS信號源產生工作頻率為f幅值為A的正弦波脈沖輸入到功率放大模塊，由FPGA控制功率放大模塊輸出載頻為f、周期為T和脈寬為τ的脈沖。功率放大模塊將脈沖信號放大到能夠激勵發射換能器的擬定量值，由FPGA控制通道選擇，選擇要接通的發射換能器，由發射換能器將電脈沖信號轉換成超聲脈沖信號發射出去。

接收換能器將接收到的超聲脈沖信號轉換成電信號輸入到前置放大器放大一定倍數后，再輸入到程控放大模塊。FPGA發出控制字指令確定信號的衰減倍數，在試驗所要求的幅度范圍內將信號程控放大，并進行高通濾波。隨后，將程控放大器輸出信號送至A/D轉換模塊。將轉換獲取的數據以二進制文件的形式通過高速緩存存儲到外接計算機硬盤中。

在外接計算機存儲A/D轉換輸出信號的同時，還可以登陸軟件系統數據輸出模塊的可視化界面，顯示采樣波形、當前時間和程控放大電路的放大倍數，控制系統工作及數據存儲的開始和中斷。

若進行數據分析，則在軟件系統主界面登陸數據分析模塊，分析尾流回波信號的幅度隨著發射信號頻率、尾流持續時間等因素的變化，分析尾流幾何特性，進行尾流仿真等方面工作。在主界面顯示復位待機、自檢狀態、測量工作、主要工作參數等是否正常等信息。

3 系統主要參數分析計算

系統的主要指標有：系統工作頻率、功率放大輸出脈沖周期和脈寬、發射功率、接收機放大倍數、A/D轉換頻率、換能器參數、供電電源電壓及功率等參數。這些指標都是互相關聯的，因此必須從系統的角度進行論證。

3.1 系統工作頻率范圍

尾流中氣泡在入射聲波的作用下受迫振動，每一個小氣泡都有它的諧振頻率，當入射聲波的頻率等于它的諧振頻率時，氣泡處于共振狀態，其散射功率和散射截面達到最大值，系統正是基于這個原理進行氣泡尾流探測。

水中單個氣泡在諧振時散射能量最大，而氣泡的散射功率WS[6]

(1)

式中：I0為入射聲強;f為工作頻率;fr為氣泡諧振頻率。

當氣泡處于共振時，散射功率達到最大值

(2)

氣泡的共振頻率 fr為[7]

(3)

式中：γ為氣體比熱比值；P0為流體靜壓力；R為氣泡半徑(cm)；ρ為海水密度(kg/cm3)；T為液體和氣泡界面的表面張力。

氣泡最初產生時，氣泡的尺寸分布主要集中在1 000μm以下，由于表面活性劑對氣泡表面張力及氣泡內氣體擴散的影響，增加了小氣泡在水中穩定存在的可能性，因此，40～60μm的氣泡密度數最高，根據式(3)計算，尾流氣泡的共振頻率約在78～118kHz范圍內。為了盡可能全面地探測到尾流中的氣泡，將系統工作的頻率范圍確定為60～600kHz。

3.2 脈沖寬度和工作周期

在發射機中，發射周期的選取應考慮以下因素：要有足夠的尾流回波信息重復率，便于信號檢測，保證波束有最大的檢測距離，如圖7所示。

圖7 收發換能器與尾流相對位置示意圖

假設換能器離水面面距離為H，當換能器在尾流下方時，要保證發射波束能照到尾流,且能可靠接收回波信號，那么從圖7得式(4)

(4)

假設換能器深度15 m，取聲速C=1 435 m/s，則由式(4)算出T=20.1 ms。因設計時需適當增加T值，必須保證自導系統以一個合適的間隔接收回波信號，所以綜合考慮可以取T的典型值為50 ms，試驗測量系統中脈沖周期可以在30～80 ms的范圍內任意調整。

確定發射脈寬τ時應考慮下列問題[8]：

① 探測距離

發射換能器在發射脈沖信號時,cτ/2范圍內的目標無法被探測到，這樣就形成了探測盲區。若取τ=1 ms,則探測盲區為0.72 m，即最小探測距離為0.72 m；最大探測距離Rmax應該大于式(4)中的H，由式(4)可得

(5)

在進行尾流測量試驗的時候，取T的典型值50 ms，則Rmax≤15 m，最大探測距離為15 m，考慮到傳播損失和噪聲的影響，試驗時換能器的深度控制在10 m或者小于10 m的深度完全可以有效探測到尾流。

② 由海面混響的計算公式可知，在其他參數相同的情況下，發射脈寬τ的增加會使得海面混響增加，從減少海面混響的角度考慮應當選擇窄脈沖。

③ 由于在脈沖寬度之間填充了載頻，一般要求載頻波的數量不能太小，從而保證能有效地發射(一般保證數量最好在50個以上)。

因此，根據以上設計準則，經過計算發射脈寬τ為

(6)

式中τmin可以小于1 ms。最后確定τ的典型值取1 ms。

3.3 接收機程控放大倍數

由于接收換能器接收到的尾流回波信號相當尾流弱(μV級或者mV級)，如果直接將其通過電纜傳至水面進行A/D轉換和數據存儲，信號將會有較大的衰減，測到的試驗數據會有較大的誤差，不利于試驗完成后的數據分析和理論探討。因此，在進行 A/D轉換數據采集之前，應當將接收換能器信號進行適度放大。采用程控放大方式，程控放大電路的最大放大倍數為10 000倍(不進行衰減)，放大電路的增益控制范圍可到80 dB。

3.4 A/D轉換頻率

依據采樣定理，A/D轉換芯片輸入模擬信號的最高頻率為fimax，則采樣頻率fs必須滿足關系[9]

(7)

試驗中發射信號的最大頻率為600 kHz，由于尾流中氣泡運動速度很小，因此可以忽略多普勒頻移，認為接收到回波信號的最大頻率就是發射信號的最大頻率。依據采樣定理，fs的取值最小為1.2 MHz，實際在工程實現上一般為3～5倍，為了便于在A/D轉換完成后比較逼真地復現輸入信號，結合試驗需要，將A/D轉換頻率設定為5 MHz。

3.5 發射/接收換能器

發射換能器：可以在工作頻率范圍任意選擇，設計為4個通道獨立工作，重點在120 kHz左右。

接收換能器：單只，以120 kHz為中心，帶前置放大，帶30～40 m電纜，換能器利于水下固定。

本檢測系統選用高頻寬帶壓電換能器，現有一發射換能器，經過測試，得到換能器的指標水中阻抗、指向性和發射電壓響應如下。

采用HP4192A阻抗分析儀自動測量阻抗，換能器激勵電壓1 V，測試頻率從100～200 kHz。測得諧振頻率f0=122.000 kHz、帶寬BW=47.6 kHz、電導G=2.303 ms、電納B=1.886 0 ms。

在測試距離為3.8 m，測試深度為1.8 m時，采用單頻脈沖波測量，得到發射換能器在不同工作頻率f下的指向性角如表1所示。

表1 發射換能器的指向性角

表1中：f為工作頻率(kHz)； 2θ-3 dB為發射波束寬度即指向性角，表示在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內，輻射功率下降3 dB的夾角。

在測試距離為1.63 m。測試深度為1.80 m，水溫15°，室溫20°時，得到換能器在不同工作頻率f下發射電壓響應數據如表2所示。

表2 換能器的發射電壓響應

表2中： f 為工作頻率(kHz)；SV為發射電壓響應，指發射換能器在指定方向上離其有效聲中心d0m距離上產生的自由場表觀聲壓Pf與加到換能器輸入端的電壓U的比值：SV=Pf*d0/U,單位(dB)。

3.6 發射聲功率的詳細計算

發射功率P是指經過匹配網絡后加到發射換能器去的電功率。用式(8)來表示

(8)

其中：um是發射機匹配網絡輸出到負載(發射換能器)R上的峰值電壓，R為負載電阻；發射功率P決定著換能器的有效作用距離，發射機的發射功率越大，發射換能器的作用距離就越遠[10]。

3.6.1 噪聲干擾下的主動聲自導方程

噪聲干擾下的主動聲自導方程為[11]：

SL-2TL-NL+TS+DI=DT

(9)

其中，SL為主動聲源級，且有

SL=170.8+10logP+DI

(10)

TL為傳播損失，且有

TL=20logr+0.036f3/2r

(11)

其中：f為工作頻率；r為探測距離。

NL為噪聲級，試驗裝置自噪聲和海洋噪聲可忽略，且高頻時主要為環境噪聲中的熱噪聲。TS為目標強度。DI為接收指向性指數，一般根據換能器的尺寸進行計算。

(12)

(13)

(14)

DT為檢測域。

3.6.2 發射聲功率計算

現有換能器的諧振頻率為122 kHz，探測距離設為15 m時，代入式(11)得到

TL=20log15+0.036×1223/2×0.015=24.25

換能器直徑為60 mm，代入式(14)得到

將式(10)代入式(9)，得到

170.8+10logP+2DI-2TL+TS=DT+NL

(15)

由于DI、NL屬于變量，需要對DI和NL的值進行優化設計，在對DI和NL取典型值的情況下估算出發射聲功率大約為200～400 W。

4 試驗

為驗證此氣泡檢測系統能正確檢測出氣泡，用實驗樣機在水池中進行了簡單檢測試驗，試驗配置示意圖如圖8。

圖8 水池模擬氣泡檢測示意圖

將檢測系統的水下裝置沉入水池，波束向上，供電及信號的傳輸由水密電纜引出，并連接岸上裝置。水下裝置在自適應結束后，將氣泡釋放裝置沉入水下3～4 m，放置在水下裝置上方一側，打開由氣泡釋放網格及空氣壓縮機組成模擬氣泡釋放裝置，將該裝置上下左右移動，通過岸上裝置的數據顯示存儲軟件觀察氣泡檢測輸出結果，可以看到水面回波信號，當氣泡釋放裝置移出水下裝置上方區域后，氣泡輸出信號消失，表明氣泡檢測功能正常。

5 結論

設計了一種基于“DSP+FGPA”控制并采用硬件與計算機軟件結合方式的尾流氣泡檢測系統，分析計算了系統主要參數，對發射功率進行了計算，以主動聲自導方程為理論基礎，得到了試驗系統的探測距離和發射功率的關系，由此依據實際要求設計不同性能的檢測裝置，制作了實驗樣機，并在水池中進行了簡單的測試，結果表明實驗樣機氣泡檢測功能正常，此尾流氣泡檢測試驗裝置也可用于實驗室水池測量教學實驗和湖海試驗，對進一步開展尾流自導系統試驗研究有重要意義。

[1] 蔣興舟,陳喜,蔣濤.魚雷制導設計原理[M].武漢：海軍工程大學，2001.

[2] 高江,張靜遠,楊力.艦船氣泡尾流特性研究現狀[J].艦船科學技術,2008,4(30):27-32.

[3] 楊暄浦,王海燕,白峻.尾流的噪聲信號特性及其模擬研究[J].電聲基礎,2009,5(33),36-39.

[4] 周德善.魚雷自導技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

[5] 尤里克.水聲原理[M].3版.哈爾濱:：哈爾濱船舶工程學院出版社，1992.

[6] 劉伯勝,雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1989.

[7] 蔣興舟，張靜遠，蔣濤.尾流自導設計中的幾個關鍵問題[J].魚雷技術,2002,10(3):17-20.

[8] 陳春玉.聲尾流自導系統關鍵參數優化研究及作用距離計算[J].魚雷技術,2003,11(2):8-13.

[9] 康華光,陳大欽,張林.電子技術基礎模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[10]周德生.現代聲納技術[M].武漢：海軍工程大學出版社，2004.

[11]苑秉成,陳喜.水聲自導原理基礎[M].武漢：海軍工程大學出版社，2001.

(責任編輯 周江川)

Design of Detect System for Ship Wake Bubble

ZHANG Chong, YUAN Zhiyong, ZHANG Rui, BAI Guangqiang, LI Jinglun

(Naval Engineering of University, Wuhan 430033, China)

To make it convenient for the ship wake flow experiments, the paper studies the rules of wake flow reflected intensity changing with the frequency and time of the acoustic signal, the length, width, thickness and character of different ship wake, and a design scheme for the wake bubble detect system is proposed and a sample machine is made. With simple tests in the pool, it proves that the test machine works well and can be used in lab teaching and experiment, and it is of great significance to the further study of wake homing system experiments.

wake bubble; detect system; underwater transducer; transmitting sound power

2017-04-19；

2017-05-20

張沖(1990—)，男，碩士，助理工程師，主要從事武器系統運用與保障研究。

袁志勇(1965—)，男，碩士，教授，主要從事武器對抗研究。

10.11809/scbgxb2017.08.011

format:ZHANG Chong, YUAN Zhiyong, ZHANG Rui, et al.Design of Detect System for Ship Wake Bubble[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):45-49.

TJ06

A

2096-2304(2017)08-0045-05

本文引用格式：張沖，袁志勇，張銳，等.艦船尾流氣泡檢測系統設計[J].兵器裝備工程學報，2017(8):45-49.