摘要:大型船舶在航海過程中會使周圍海域壓力場發(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)，水壓場測量技術(shù)是艦船動力系統(tǒng)的重要研究領(lǐng)域之一。三元陣列是測量深海領(lǐng)域船舶微弱水壓場的主流技術(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，且算法實時性較好，得到了較為廣泛的應(yīng)用。本文分析深海船微弱水壓測量壓力，利用三元陣列技術(shù)給出船舶微弱水壓場特征值的提取方法，最后進(jìn)行仿真。
關(guān)鍵詞:三元陣列技術(shù);水壓場測量;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，是研制船舶動力系統(tǒng)時需要考慮的重要因素之一。因此，對深海船微弱壓力的測試成為船舶制造業(yè)的研究課題之一。同時，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)處理得到水壓場特征值，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，算法實效性高，是現(xiàn)在船舶微弱水壓場測量的主要技術(shù)［1］。本文對船舶微弱水壓場的測量技術(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)域的水壓場測量。
1三元陣微弱水壓測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
三元陣微弱測水壓場試系統(tǒng)包含3個水壓傳感單元，其形成一個三角區(qū)域，每個區(qū)域的傳感器分布在一條直線上，通過水面上的控制器對傳感器進(jìn)行控制，獲取不同空間分布的微弱測水壓場值。水面上的控制器包括電源管理模塊、以及一些信號處理單元，包括同步、濾波、信號調(diào)制調(diào)解等［2］，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖1所示，整個三元陣微弱測水壓場試系統(tǒng)主要由以下重要模塊組成:1)高靈敏度的水壓場傳感器通過合理的空間部署采集不同水位、不同方向的水壓場數(shù)據(jù)。2)水下電子艙控制水壓場傳感器開關(guān)，傳感器將采集數(shù)據(jù)上傳至水下電子艙，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)信號初步處理，并將結(jié)果通過傳輸電纜上傳至控制單元。3)水上的控制及信號處理單元水上控制及信號處理單元對接收到的水壓場傳感器進(jìn)行處理，并控制水下電子艙。
2基于三元陣列的水壓場特征值分析
利用三元陣列水壓場測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的目的就是為了提取其壓力特征值，使船舶動力系統(tǒng)及電子設(shè)備能夠去除水壓場信號的干擾。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)對水壓場按照不同的層次對信號的小波包進(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)小波基對船舶水壓場數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，并提取出水壓場信號特征值。2.1最優(yōu)小波包基確定利用三元陣列水壓場測試系統(tǒng)采集的水壓場數(shù)據(jù)由多個不同空間屬性的小波包組成，每個包的`特性不同，需要選擇一個基準(zhǔn)小波包來表示水壓場信號的特性，其選擇原則是使代價函數(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)中每個框中的數(shù)值代表其小波包代價值，子節(jié)點的上一層節(jié)點稱為母節(jié)點，若母節(jié)點衍生的2個子節(jié)點的代價和小于自身價值，則修改母節(jié)點代碼為2個子節(jié)點的代價和。搜索層次如圖2所示。2.2閥值的量化系數(shù)采用極小化均值對三元陣列的水壓場小波包進(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)實際情況本文取ALPHA=1.258。小波包系數(shù)確定后，需要對其標(biāo)準(zhǔn)化，首先選擇一個標(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算法實現(xiàn)及仿真
3.1算法實現(xiàn)上節(jié)給出了水壓場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分析方法，本文采用自適應(yīng)濾波器對水壓場信號進(jìn)行過濾，其原理如圖3所示。如圖3中，濾波器的3個輸入X1，X2，X3對應(yīng)三元陣列水壓場測試的不同方向的水壓場數(shù)據(jù)集，自適應(yīng)濾波器中的3個向量權(quán)值為W1，W2，W3，用如下表達(dá)式表示:3.1算法實現(xiàn)對本文基于三元陣列的水壓場的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行仿真，與傳統(tǒng)的水壓場數(shù)據(jù)信號測量結(jié)果進(jìn)行對比，給出不同水柱幅度的測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信號測量技術(shù)，重點給出了最優(yōu)小波包確定算法及閥值量化算法，最后對測量信號進(jìn)行了自適應(yīng)濾波處理，提高了測量數(shù)據(jù)精度。
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