摘要:大型船舶在航海過程中會(huì)使周圍海域壓力場(chǎng)發(fā)生變化，壓力大小與船舶航行速率、噸位大小及氣候環(huán)境相關(guān)，水壓場(chǎng)測(cè)量技術(shù)是艦船動(dòng)力系統(tǒng)的重要研究領(lǐng)域之一。三元陣列是測(cè)量深海領(lǐng)域船舶微弱水壓場(chǎng)的主流技術(shù)，通過壓力傳感器采集水壓數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行算法處理，得到的壓力值精確度高，且算法實(shí)時(shí)性較好，得到了較為廣泛的應(yīng)用。本文分析深海船微弱水壓測(cè)量壓力，利用三元陣列技術(shù)給出船舶微弱水壓場(chǎng)特征值的提取方法，最后進(jìn)行仿真。
關(guān)鍵詞:三元陣列技術(shù);水壓場(chǎng)測(cè)量;信噪比
引言
精密制造業(yè)快速發(fā)展，船舶朝著大型化及高精度的方向發(fā)展，船舶動(dòng)力系統(tǒng)是船舶制造業(yè)中最重要的設(shè)備。微弱水壓是船舶在航行過程中引起的周圍水域的壓力變化，是研制船舶動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)需要考慮的重要因素之一。因此，對(duì)深海船微弱壓力的測(cè)試成為船舶制造業(yè)的研究課題之一。同時(shí)，隨著傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于傳感器的壓力測(cè)試系統(tǒng)大量應(yīng)用在深海船微弱壓力數(shù)據(jù)采集及處理中，其中三元陣列系統(tǒng)得到了最廣范的應(yīng)用，通過不同方位的傳感器得到壓力數(shù)據(jù)的三元陣列，隨后通過數(shù)據(jù)處理得到水壓場(chǎng)特征值，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，算法實(shí)效性高，是現(xiàn)在船舶微弱水壓場(chǎng)測(cè)量的主要技術(shù)［1］。本文對(duì)船舶微弱水壓場(chǎng)的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行分析，改進(jìn)傳統(tǒng)的三元陣技術(shù)使其能適應(yīng)深海領(lǐng)域的水壓場(chǎng)測(cè)量。
1三元陣微弱水壓測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
三元陣微弱測(cè)水壓場(chǎng)試系統(tǒng)包含3個(gè)水壓傳感單元，其形成一個(gè)三角區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的傳感器分布在一條直線上，通過水面上的控制器對(duì)傳感器進(jìn)行控制，獲取不同空間分布的微弱測(cè)水壓場(chǎng)值。水面上的控制器包括電源管理模塊、以及一些信號(hào)處理單元，包括同步、濾波、信號(hào)調(diào)制調(diào)解等［2］，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖1所示，整個(gè)三元陣微弱測(cè)水壓場(chǎng)試系統(tǒng)主要由以下重要模塊組成:1)高靈敏度的水壓場(chǎng)傳感器通過合理的空間部署采集不同水位、不同方向的水壓場(chǎng)數(shù)據(jù)。2)水下電子艙控制水壓場(chǎng)傳感器開關(guān)，傳感器將采集數(shù)據(jù)上傳至水下電子艙，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)初步處理，并將結(jié)果通過傳輸電纜上傳至控制單元。3)水上的控制及信號(hào)處理單元水上控制及信號(hào)處理單元對(duì)接收到的水壓場(chǎng)傳感器進(jìn)行處理，并控制水下電子艙。
2基于三元陣列的水壓場(chǎng)特征值分析
利用三元陣列水壓場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的`目的就是為了提取其壓力特征值，使船舶動(dòng)力系統(tǒng)及電子設(shè)備能夠去除水壓場(chǎng)信號(hào)的干擾。本文利用小波包分析方法，通過濾波船舶航行中水壓場(chǎng)的干擾背景，提取出其特征值。小波包提取法的步驟如下［3］:1)對(duì)水壓場(chǎng)按照不同的層次對(duì)信號(hào)的小波包進(jìn)行分解。2)分解后形成了不同層次的小波包集，按照給定的標(biāo)準(zhǔn)確定一個(gè)最優(yōu)值。3)小波包分析后形成了離散系數(shù)，并按照閥值對(duì)系數(shù)進(jìn)行量化。4)通過量化后的小波包離散系數(shù)及確定的最優(yōu)小波基對(duì)船舶水壓場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，并提取出水壓場(chǎng)信號(hào)特征值。2.1最優(yōu)小波包基確定利用三元陣列水壓場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)采集的水壓場(chǎng)數(shù)據(jù)由多個(gè)不同空間屬性的小波包組成，每個(gè)包的特性不同，需要選擇一個(gè)基準(zhǔn)小波包來表示水壓場(chǎng)信號(hào)的特性，其選擇原則是使代價(jià)函數(shù)最小。三元陣列的小波包處在樹結(jié)構(gòu)的不同層次，本文采用搜索方法，自低向上進(jìn)行搜索［4］，圖2(a)中每個(gè)框中的數(shù)值代表其小波包代價(jià)值，子節(jié)點(diǎn)的上一層節(jié)點(diǎn)稱為母節(jié)點(diǎn)，若母節(jié)點(diǎn)衍生的2個(gè)子節(jié)點(diǎn)的代價(jià)和小于自身價(jià)值，則修改母節(jié)點(diǎn)代碼為2個(gè)子節(jié)點(diǎn)的代價(jià)和。搜索層次如圖2所示。2.2閥值的量化系數(shù)采用極小化均值對(duì)三元陣列的水壓場(chǎng)小波包進(jìn)行量化:(1)式中:ck為確定的最優(yōu)小波包基的分解系數(shù);n為系數(shù)的數(shù)量值;AIGMA為海上水壓場(chǎng)傳感器采集數(shù)據(jù)混入的噪聲均方差;ALPHA為公式的調(diào)整參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況本文取ALPHA=1.258。小波包系數(shù)確定后，需要對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化，首先選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閥值，有硬閥值和軟閥值2種選擇。1)硬閥值小波包的系數(shù)與硬閥值進(jìn)行比較，若小于硬閥值則為0，否則保留原值［5］。
3算法實(shí)現(xiàn)及仿真
3.1算法實(shí)現(xiàn)上節(jié)給出了水壓場(chǎng)的特征值分析及小波包的系數(shù)，下面給出基于三元陣列的水壓場(chǎng)分析方法，本文采用自適應(yīng)濾波器對(duì)水壓場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行過濾，其原理如圖3所示。如圖3中，濾波器的3個(gè)輸入X1，X2，X3對(duì)應(yīng)三元陣列水壓場(chǎng)測(cè)試的不同方向的水壓場(chǎng)數(shù)據(jù)集，自適應(yīng)濾波器中的3個(gè)向量權(quán)值為W1，W2，W3，用如下表達(dá)式表示:3.1算法實(shí)現(xiàn)對(duì)本文基于三元陣列的水壓場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行仿真，與傳統(tǒng)的水壓場(chǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，給出不同水柱幅度的測(cè)量誤差均方差的比較值，如表1所示。
4結(jié)語
本文研究了基于三元陣列的深海船微弱水壓場(chǎng)信號(hào)測(cè)量技術(shù)，重點(diǎn)給出了最優(yōu)小波包確定算法及閥值量化算法，最后對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行了自適應(yīng)濾波處理，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)精度。
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