一種艦船尾流探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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程。尾流中氣泡的存在使得其透射、散射等光學(xué)特性與無擾動(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，通過測(cè)量氣泡后向散射光空間頻譜分布來探測(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。
關(guān)鍵詞：
艦船尾流
探測(cè)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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