0 引 言
艦船、潛艇以及其他水下航行器在運(yùn)動(dòng)中,，都會(huì)由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生空化或者海面的波浪破碎以及從吃水線部分大量空氣的卷入,，在艦船尾部的海水中形成一條含有大量氣泡的氣泡幕帶，即艦船尾流,。尾流中的氣泡形成后會(huì)受到重力,、浮力、粘滯阻力三部分合力的作用而經(jīng)歷一個(gè)溶解,、上升以及氣體膨脹的過(guò)程,。尾流中氣泡的存在使得其透射、散射等光學(xué)特性與無(wú)擾動(dòng)的靜水不同,，利用上述性質(zhì)的尾流光探測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生,。對(duì)尾流的探測(cè)是間接探測(cè)艦船及水下航行器的一種新方法,，有著廣闊的應(yīng)用前景和重要的國(guó)防意義,。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種利用激光照射尾流氣泡，通過(guò)測(cè)量氣泡后向散射光空間頻譜分布來(lái)探測(cè)尾流氣泡的艦船尾流實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)工作原理及硬件組成
1．1 系統(tǒng)工作原理
尾流光探測(cè)方法通常采用直接測(cè)量尾流氣泡后向散射光功率強(qiáng)度,。通過(guò)分析，這種方法容易受到背景干擾,。本文采用一種新的測(cè)量方法,，給尾流氣泡后向散射光接收系統(tǒng)前加一個(gè)傅里葉變換透鏡，可以得到散射光的空間頻譜分布,，由于散射光的頻譜強(qiáng)度服從圓對(duì)稱的高斯分布,，所以只要選取通過(guò)圓心的任意一個(gè)方向散射光的角譜強(qiáng)度即可表征該高斯分布的所有特征。實(shí)驗(yàn)證明,，探測(cè)氣泡的散射光空間頻譜分布是一種非常有效的尾流探測(cè)方法,，并且可以抑止背景干擾。這里采用線陣CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件,，可編程控制芯片(CPLD)作為時(shí)序產(chǎn)生單元,，DSP芯片作為高速數(shù)字信號(hào)處理及控制單元,，AD9200作為模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，USB接口作為系統(tǒng)輸出上傳單元,，構(gòu)成氣泡光散射特性實(shí)時(shí)探測(cè)處理系統(tǒng),。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì),，使系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)更加完善和清晰,，系統(tǒng)性能得以提高，為調(diào)試,、維修帶來(lái)方便,。
在系統(tǒng)中,為了保證時(shí)序的匹配，各部分均運(yùn)行在一個(gè)統(tǒng)一的基本時(shí)鐘下,，由一個(gè)外接晶振
40 MHz作為整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一的輸入時(shí)鐘送人CPLD,，經(jīng)CPLD產(chǎn)生CCD的各路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)、
ADC驅(qū)動(dòng)信號(hào),、USB和DSP的時(shí)鐘信號(hào)以及CPLD和DSP通信的信號(hào),。
A／D的工作頻率和CCD的輸出頻率嚴(yán)格同步以確保不丟失有用的數(shù)據(jù)。
CCD輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入系統(tǒng)的處理單元DSP進(jìn)行處理,。
DSP進(jìn)行信號(hào)處理后以12位的分辨率把數(shù)字形式的氣泡散射空間頻譜的峰值和半高寬度值送給USB單元,，
通過(guò)USB接口實(shí)時(shí)上傳至電腦處理并存儲(chǔ)。系統(tǒng)DSP數(shù)據(jù)處理部分的工作流程如圖2所示,。
1．2 硬件設(shè)計(jì)
CPLD選用可編程邏輯器件MAX7128SLC-84,，DSP選用ADI公司的ADSP21062。MAX7128SLC-84可以將I／O設(shè)置在3．3 V或5 V下工作,。因?yàn)橄到y(tǒng)中DSP,，AD9200的工作電壓均為3．3 V，故CPLD的I／O也設(shè)置為3．3 V,。然而CCD工作電壓為5 V,，需要的外部驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖也都為5 V電平模式，而MAX7128SLC-84輸出的脈沖信號(hào)都為3．3 V,，電平不匹配,，這里采用ADG3308芯片對(duì)MAX7128SLC-84輸出的CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)作電平轉(zhuǎn)換，使它們從3．3 V變?yōu)? V,。MAX7128SLC-84與系統(tǒng)DSP,，74AHC574，CCD之間的同步控制如圖3所示,。
END信號(hào)每11 ms產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖作為DSP的外部中斷請(qǐng)求信號(hào),，低電平有效。CLR信號(hào)由DSP產(chǎn)生，作為清零信號(hào),，當(dāng)CLR為低時(shí),，則不產(chǎn)生CCD與AD9200的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。PCLK是DSP的時(shí)鐘,，與CPLD的輸入時(shí)鐘信號(hào)同頻,，這里PCLK由CPLD產(chǎn)生而不是直接由晶振送入DSP是為了保證整個(gè)電路系統(tǒng)在統(tǒng)一的時(shí)鐘下工作。ADSP21062與74AHC574之間采用DMA握手方式讀取數(shù)據(jù),。74AHC574的CP與OE必須嚴(yán)格進(jìn)行設(shè)置,，否則采樣數(shù)值將有時(shí)候發(fā)生紊亂。74AHC574的CP信號(hào)由CPLD產(chǎn)生,，CP滯后DATACLK,，在數(shù)據(jù)有效期內(nèi)CP上升沿將數(shù)據(jù)鎖存至74AHC574。DMAR1信號(hào)由CPLD產(chǎn)生,，ADSP21062響應(yīng)該外部中斷請(qǐng)求DMAR1后輸出DMAG1信號(hào)作為74AHC574的輸出使能信號(hào)OE,，從而以握手方式將數(shù)據(jù)送到ADSP21062的外部總線上。DSP用FLAG2產(chǎn)生DMAREN以控制DMAR1請(qǐng)求,，方便ADSP2106在做數(shù)據(jù)處理時(shí)關(guān)斷外部中斷,，防止由其產(chǎn)生的更改內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)的誤操作。
1．3 軟件設(shè)計(jì)
由理論研究的結(jié)論可知,，散射光空間譜強(qiáng)度服從圓對(duì)稱的高斯分布,，因此，為了得到氣泡光散射譜強(qiáng)度分布的峰值和線寬參數(shù),，必須對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合,。然而，由于高斯擬合算法無(wú)法克服光強(qiáng)飽和的影響,，擬合曲線的形狀跟真實(shí)的譜強(qiáng)度的實(shí)際分布往往誤差較大,，這會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)精度、作用距離,。進(jìn)一步分析可知,，由于信號(hào)測(cè)量數(shù)值起伏不定,，還存在一些嚴(yán)重偏離實(shí)際數(shù)值的雜散點(diǎn),，這些是由CCD器件的噪聲引起的，它們也嚴(yán)重影響了高斯擬合算法的效果,。小波消噪技術(shù)使得信號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)值起伏變小,，且消除了大部分的孤值點(diǎn)，從而使高斯擬合算法更有效,，擬合結(jié)果也更逼近實(shí)際的譜強(qiáng)度分布,。CCD每10．6 ms輸出一幀數(shù)據(jù)，一幀的信號(hào)輸出大約10 000個(gè),，為了提高程序執(zhí)行效率和運(yùn)算速度,，把經(jīng)過(guò)小波消噪之后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行壓縮,，抽取其中500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)做高斯擬合處理。通過(guò)高斯擬合算法求出散射角譜高斯擬合曲線的峰值,、峰值位置以及半高寬度,。最后將求得的半高寬度和峰值輸出到后續(xù)USB接口部分。
2 結(jié) 語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的艦船尾流探測(cè)系統(tǒng),，以尾流后向散射光空間頻譜強(qiáng)度的半高寬度和峰值來(lái)判斷水中是否存在尾流,。這種測(cè)量方法能夠有效抑止背景干擾，有一定的先進(jìn)性,。目前水下航行器的速度為30～70海里／h(1海里=1．852 km),，探測(cè)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)周期為11 ms，假設(shè)水下航行器的速度為70海里／h,，那么,，探測(cè)系統(tǒng)每0．396 m采集一次數(shù)據(jù)，其精度是比較高的,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該探測(cè)系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定性好,、可靠性高,、處理速度快、探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確,。