舰船尾流气泡检测系统设计

舰船尾流气泡检测系统设计张冲，袁志勇，张锐，柏广强，李京伦(海军工程大学，武汉 430033)摘要：为了便于进行舰船尾流的测量试验，开展舰船尾流声反射强度随发射声信号频率、时间的变化规律，不同舰船目标尾流的长度、宽度和厚度以及尾流特性等研究，提出了舰船尾流气泡检测系统设计方案，制作了实验样机，并在水池中进行了简单的测试，结果表明：实验样机气泡检测功能正常，可用于实验室水池测量教学实验和湖海试验，对进一步开展尾流自导系统试验研究有重要意义。

关键词：尾流气泡；检测系统；水声换能器；发射声功率尾流自导鱼雷对目标舰船实施探测、跟踪、攻击,是利用舰船航行形成的尾流场与周围水域的物理特性差异[1-4]。

其探测机理决定了它具有很强的抗干扰能力、较远的自导距离和很高的命中概率[5-6]。

目前众多国家和地区已大量装备了此类鱼雷,这都使得尾流自导鱼雷成为当今水面舰船航行安全的最致命威胁。

因此，世界各国竞相加强对尾流特性、尾流自导技术、尾流自导鱼雷和对抗尾流自导鱼雷技术的研究。

我海军装备的尾流自导鱼雷，其技术主要是借鉴俄罗斯声尾流自导技术，目前对舰船尾流的几何特性与目标特性等重要因素的关系不是很清楚。

因此，急需投入一定的人力物力，加强对水面舰船尾流特性的基础性试验，为此提出舰船尾流气泡检测系统设计方案，可以用于实验室水池测量教学实验和湖海试验。

1 尾流气泡检测系统总体设计尾流气泡检测系统分为水下装置、岸上显控装置和电缆。

水下装置由发射机、接收机、信号处理机3个部件组成。

岸上装置包括+27 V、+60 V供电电源、计算机等，检测系统组成如图1所示。

设计实物如图2。

图1 尾流气泡检测系统组成示意图图2 尾流气泡检测系统实物图发射机由DDS信号源及其附带的滤波器、功率放大电路模块、通道选择电路模块、匹配网络和发射换能器这几个模块构成；接收机由接收换能器及其附带的前置放大器、检波积分电路、程控放大电路等模块构成；信号处理机是尾流气泡信号检测及控制整个系统工作的核心组件，由电源电路、A/D转换模块、DSP模块、485接口模块、I/O口驱动芯片、信号灯等组成。

其中DSP模块是信号处理机核心，模块的硬件结构创新性的采用“DSP+FPGA”的构架，在该构架中FPGA负责管理各个外设的通信，并将获得的数据传递给DSP，而DSP只需专注于数据的处理，两者各司其职，可以充分发挥DSP的高速信号处理性能，从而满足处理系统在高速采样率、大数据传输方面的需求。

此外，为了尽可能探测到尾流中更多不同半径的气泡，该检测系统在发射机发射信号模式上采用了大带宽、多通道(4个通道)、高功率的方式，提高了发射信号的频带宽度。

接收机系统采用数字程控衰减技术设计，放大倍数可大范围程控调节。

系统的总体结构如图3所示。

图3 系统总体结构2 系统工作原理及流程工作原理：检测系统使用主动式尾流气泡检测，水下装置垂直向上发射高频率声脉冲，此脉冲通过周围海水中的杂质及海面反射回来，形成体积混响及海面混响。

水下装置上方没有尾流气泡时，接收到的回波信号小于平滑后的混响电平，信号处理机判定为无尾流气泡。

一旦水下装置上方有尾流气泡，由于气泡对声的反射，尾流气泡检测系统接收到的气泡散射信号大大高于平滑后的混响电平且持续一段时间，信号处理机判定为有尾流气泡。

无尾流气泡和有尾流气泡反射时接收回波波形示意图分别如图4、图5所示。

图4 无尾流时接收回波波形示意图图5 有尾流时接收回波波形示意图检测系统接受通道接收的有效回波信号是尾流中气泡产生的体积混响，干扰源是在无尾流时海水中的海面混响、体积混响以及海洋环境噪声干扰之和，在探测脉冲信号发射后规定的检测时间内，对有尾流反射(含海面反射)的能量与无尾流反射的能量的比较，如图6所示。

图6 尾流检测的时间判断依据图6中：τ0为接收管制时间；τg为从τ0开始，到门限器件动作的时间；τe为接收到的水声信号声压超过门限器件动作门限值的时间；p g为按背景干扰声压，经自适应调整确定的门限器件动作的门限值声压；oτ为横坐标(ms)，以探测脉冲发射时刻为起点；op为纵坐标(Pa)，接收通道接收到的水声信号声压。

根据τe和τg值，由检测尾流的时间判据，判定该时刻检测系统的接收通道能否检测到尾流：当τe<τg时，未检测到尾流；当τe>τg时，检测到尾流。

工作流程：首先将硬件系统通过USB接口与计算机连接，系统上电后，打开计算机登陆软件系统主界面，登陆参数设定模块。

通过参数设定模块的可视化界面输入 DDS信号源所要产生信号的频率控制字、脉冲宽度τ与工作周期T、选择发射换能器通道和设定保存数据的文件名，DDS信号源产生工作频率为f幅值为A的正弦波脉冲输入到功率放大模块，由FPGA控制功率放大模块输出载频为f、周期为T和脉宽为τ的脉冲。

功率放大模块将脉冲信号放大到能够激励发射换能器的拟定量值，由FPGA控制通道选择，选择要接通的发射换能器，由发射换能器将电脉冲信号转换成超声脉冲信号发射出去。

接收换能器将接收到的超声脉冲信号转换成电信号输入到前置放大器放大一定倍数后，再输入到程控放大模块。

FPGA发出控制字指令确定信号的衰减倍数，在试验所要求的幅度范围内将信号程控放大，并进行高通滤波。

随后，将程控放大器输出信号送至A/D转换模块。

将转换获取的数据以二进制文件的形式通过高速缓存存储到外接计算机硬盘中。

在外接计算机存储A/D转换输出信号的同时，还可以登陆软件系统数据输出模块的可视化界面，显示采样波形、当前时间和程控放大电路的放大倍数，控制系统工作及数据存储的开始和中断。

若进行数据分析，则在软件系统主界面登陆数据分析模块，分析尾流回波信号的幅度随着发射信号频率、尾流持续时间等因素的变化，分析尾流几何特性，进行尾流仿真等方面工作。

在主界面显示复位待机、自检状态、测量工作、主要工作参数等是否正常等信息。

3 系统主要参数分析计算系统的主要指标有：系统工作频率、功率放大输出脉冲周期和脉宽、发射功率、接收机放大倍数、A/D转换频率、换能器参数、供电电源电压及功率等参数。

这些指标都是互相关联的，因此必须从系统的角度进行论证。

3.1 系统工作频率范围尾流中气泡在入射声波的作用下受迫振动，每一个小气泡都有它的谐振频率，当入射声波的频率等于它的谐振频率时，气泡处于共振状态，其散射功率和散射截面达到最大值，系统正是基于这个原理进行气泡尾流探测。

水中单个气泡在谐振时散射能量最大，而气泡的散射功率W S[6](1)式中：I0为入射声强;f为工作频率;f r为气泡谐振频率。

当气泡处于共振时，散射功率达到最大值(2)气泡的共振频率 f r为[7](3)式中：γ为气体比热比值；P0为流体静压力；R为气泡半径(cm)；ρ为海水密度(kg/cm3)；T为液体和气泡界面的表面张力。

气泡最初产生时，气泡的尺寸分布主要集中在1 000μm以下，由于表面活性剂对气泡表面张力及气泡内气体扩散的影响，增加了小气泡在水中稳定存在的可能性，因此，40～60μm的气泡密度数最高，根据式(3)计算，尾流气泡的共振频率约在78～118kHz范围内。

为了尽可能全面地探测到尾流中的气泡，将系统工作的频率范围确定为60～600kHz。

3.2 脉冲宽度和工作周期在发射机中，发射周期的选取应考虑以下因素：要有足够的尾流回波信息重复率，便于信号检测，保证波束有最大的检测距离，如图7所示。

图7 收发换能器与尾流相对位置示意图假设换能器离水面面距离为H，当换能器在尾流下方时，要保证发射波束能照到尾流,且能可靠接收回波信号，那么从图7得式(4)(4)假设换能器深度15 m，取声速C=1 435 m/s，则由式(4)算出T=20.1 ms。

因设计时需适当增加T 值，必须保证自导系统以一个合适的间隔接收回波信号，所以综合考虑可以取T的典型值为50 ms，试验测量系统中脉冲周期可以在30～80 ms的范围内任意调整。

确定发射脉宽τ时应考虑下列问题[8]：① 探测距离发射换能器在发射脉冲信号时,cτ/2范围内的目标无法被探测到，这样就形成了探测盲区。

若取τ=1 ms,则探测盲区为0.72 m，即最小探测距离为0.72 m；最大探测距离R max应该大于式(4)中的H，由式(4)可得(5)在进行尾流测量试验的时候，取T的典型值50 ms，则R max≤15 m，最大探测距离为15 m，考虑到传播损失和噪声的影响，试验时换能器的深度控制在10 m或者小于10 m的深度完全可以有效探测到尾流。

② 由海面混响的计算公式可知，在其他参数相同的情况下，发射脉宽τ的增加会使得海面混响增加，从减少海面混响的角度考虑应当选择窄脉冲。

③ 由于在脉冲宽度之间填充了载频，一般要求载频波的数量不能太小，从而保证能有效地发射(一般保证数量最好在50个以上)。

因此，根据以上设计准则，经过计算发射脉宽τ为(6)式中τmin可以小于1 ms。

最后确定τ的典型值取1 ms。

3.3 接收机程控放大倍数由于接收换能器接收到的尾流回波信号相当尾流弱(μV级或者mV级)，如果直接将其通过电缆传至水面进行A/D转换和数据存储，信号将会有较大的衰减，测到的试验数据会有较大的误差，不利于试验完成后的数据分析和理论探讨。

因此，在进行 A/D转换数据采集之前，应当将接收换能器信号进行适度放大。

采用程控放大方式，程控放大电路的最大放大倍数为10 000倍(不进行衰减)，放大电路的增益控制范围可到80 dB。

3.4 A/D转换频率依据采样定理，A/D转换芯片输入模拟信号的最高频率为f i max，则采样频率f s必须满足关系[9](7)试验中发射信号的最大频率为600 kHz，由于尾流中气泡运动速度很小，因此可以忽略多普勒频移，认为接收到回波信号的最大频率就是发射信号的最大频率。

依据采样定理，f s的取值最小为1.2 MHz，实际在工程实现上一般为3～5倍，为了便于在A/D转换完成后比较逼真地复现输入信号，结合试验需要，将A/D转换频率设定为5 MHz。

3.5 发射/接收换能器发射换能器：可以在工作频率范围任意选择，设计为4个通道独立工作，重点在120 kHz左右。

接收换能器：单只，以120 kHz为中心，带前置放大，带30～40 m电缆，换能器利于水下固定。

本检测系统选用高频宽带压电换能器，现有一发射换能器，经过测试，得到换能器的指标水中阻抗、指向性和发射电压响应如下。

采用HP4192A阻抗分析仪自动测量阻抗，换能器激励电压1 V，测试频率从100～200 kHz。

测得谐振频率f0=122.000 kHz、带宽BW=47.6 kHz、电导G=2.303 ms、电纳B=1.886 0 ms。

在测试距离为3.8 m，测试深度为1.8 m时，采用单频脉冲波测量，得到发射换能器在不同工作频率f下的指向性角如表1所示。