一種艦船聲場監測系統的設計方法?

肖大為 李 挺 鄭武杰

（1.海軍工程大學兵器工程學院 武漢 430033）（2.中國人民解放軍92819部隊 大連 116041）

1 引言

艦船在水中航行過程中，艦船的主、輔機工作產生機械噪聲，螺旋槳空化噪聲，船體運動產生振動噪聲以及船體與海水摩擦產生水動力噪聲，這些噪聲會向水中輻射產生艦船噪聲場［1～2］。我國具有廣闊的海域，需要在某些重點海域監測別國艦船通過的情況，并采集這些艦船的聲場信號特征，針對這一需要，本文設計了一種艦船聲場監測系統。

2 總體結構

艦船物理場水池測量系統主要由水聽器、信號調理電路、數據采集儲存電路、水密通信電纜和通信浮標組成。水聽器接收艦船聲場，信號調理電路對水聽器接收到的信號進行放大和濾波處理，數據采集儲存電路的FPGA器件控制A∕D模數轉換器和SD數據儲存卡進行聲場數據采集和存儲，利用水密通信電纜和通信浮標還可將采集到艦船聲場特征信息實時傳輸到海上監測量船或者陸地上的監測中心。艦船聲場監測系統組成結構如圖1所示。

圖1 艦船聲場監測系統組成圖

艦船聲場監測系統的工作狀態如圖2所示。水聽器安裝在水密儀器艙內殼體上，水密儀器艙內部安裝信號調理電路、數據采集儲存電路和RS485通信器件等電路模塊。水密儀器艙和通信浮標之間采用水密電纜連接。

圖2 艦船聲場監控系統工作示意圖

3 分系統設計

3.1 信號調理電路

聲信號調理電路先對水聽器接收到的小信號進行放大，然后輸出給后面的帶通濾波電路進行濾波處理，提高信號信噪比。信號調理電路組成如圖3所示。

圖3 信號調理電路組成圖

綜合考慮功耗和噪聲的要求，濾波器電路設計采用凌特公司生產的LT1884型運算放大器，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 帶通濾波器二階節電路原理圖

圖4為采用LT1884型運算放大器實現的二階節帶通濾波電路，其對濾波拐點頻率有非常強的控制能力，可作為構成帶通濾波器的基本二階節［3］。將三個二階節濾波電路級聯起來，就構成了信號預調理所需的6階帶通濾波器，完成對聲信號的預處理，提高數據采集的信噪比［4～5］。

3.2 采集儲存電路

采集存儲電路采集并記錄艦船聲場數據，其主要由A∕D模數轉換器、FPGA、ARM和SD數據儲存卡組成，采集電路組成如圖5所示。FPGA器件控制A∕D模數轉換器和SD數據儲存卡進行聲場數據采集和存儲，ARM器件用來進行存儲文件管理和對外數據通信［6～7］。采集存儲電路組成如圖5所示。

圖5 采集儲存電路組成圖

A∕D模數轉換器選擇美國AD公司生產的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測系統上應用。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個管腳，接近100個可用管腳，含4個時鐘倍頻器。

FPGA與A∕D芯片的電氣連接如圖6所示。FPGA為A∕D芯片提供同步時鐘信號，其使用了20MHZ的外部晶振，經過分頻后通過SCLK管腳輸出給A∕D芯片［8］。系統工作時，FPGA促發A∕D芯片的CNVST管腳使其開始數據采樣，A∕D芯片數據采樣完成之后其BUSY管腳由高電平變為低電平，FPGA檢到BUSY管腳的低電平信號，通過控制CS信號對AD芯片采樣到的數據進行讀取，數據由SDOUT管腳串行輸出［9～10］。

圖6 FPGA與A∕D的電路原理

3.3 數據通信模塊

數據通信模塊主要由RS485數據通信電路、水密通信電纜和通信浮標組成。RS485通信電路接收數據采集電路輸出的艦船聲場特征信息，然后將這些信息以差分形式通過水密通信電纜傳送到通信浮標。通信浮標接收到信息后，通過北斗衛星系統將信息傳輸到海上的監測船或者陸地上的監控中心。數據通信模塊組成如圖7所示。

圖7 數據通信模塊組成圖

通信浮標主要由浮球、系索、定位錨、北斗天線、浮體、電子艙等組成。通信浮標組成結構如圖8所示，其中，浮球、系索和定位錨用于固定通信浮標在水中的位置，電子艙內裝有北斗通信發射終端機，通信接口和電池等。

圖8 通信浮標組成圖

通信浮標的核心器件是北斗通信發射機。北斗衛星導航定位系統是我國自主研制開發的區域性有源三維衛星定位通訊系統，是繼美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統，其突出特點是衛星數目少，用戶終端設備簡單，能夠滿足對服務區提供定位、導航、授時以及簡短報文通信服務［11～12］。

圖9 通信浮標與北斗通信示意圖

通信浮標與北斗衛星、海上監測船和陸上監測中心之間的數據傳輸路徑如圖9所示。利用北斗系統的報文通信功能，浮標電子艙內的北斗發射機終端機將艦船特征信息先發射給北斗衛星系統，衛星系統再將艦船特征信息轉發給裝有相應北斗接收終端機的海上監測船和陸上監測中心，完成對某一海域通過艦船的監測任務。

艦船聲場監測系統采用西安中星偉業通信科技有限公司生產的ZXFB型北斗衛星終端機。ZXFB型北斗衛星終端機融合了北斗一代有源通信和北斗二代B1無源定位的功能，該產品可以適用高鹽霧、高腐蝕海上環境，具有集成度高、功耗低、尺寸小的特點，非常適合在通信浮標上使用。

4 測量數據

艦船聲場監測系統海試時成功測量并記錄到某一艦船通過時的聲場數據，如圖10和圖11所示，圖10為艦船聲場的時域波形，圖11為艦船聲場的頻譜特性。

圖10 測量到的艦船聲場時域波形

圖11 測量到的艦船聲場的頻譜特性

5 結語

本文設計了一種艦船聲場監測系統，該實驗系統可測量儲存艦船通過時的聲場信號，并利用北斗衛星導航定位系統的報文通信功能實時報送艦船通過時的特征信息，可完成監測某些重點海域艦船通過情況的任務。