一種水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉亮

(水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司船舶系統(tǒng)工程部，北京 100036)

一種水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉亮

(水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司船舶系統(tǒng)工程部，北京 100036)

介紹一種水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能為水下強(qiáng)聲源干擾對(duì)抗控制提供一種解決途徑，設(shè)計(jì)的充放電控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)等離子體聲源的充放電進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，并監(jiān)控工作狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)上選取高精度器件，并采取了一系列防護(hù)措施，以適應(yīng)復(fù)雜的工作條件，并滿足微秒級(jí)高精度時(shí)序控制要求。

水聲對(duì)抗;控制系統(tǒng);充電控制;觸發(fā)控制;等離子體聲源

0 引言

水下等離子體聲源是一種高強(qiáng)度、寬帶可控聲源，能產(chǎn)生比傳統(tǒng)換能器更高的聲源級(jí)，且具有聲源體積小、頻響范圍寬、聲源級(jí)高、電聲轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)射方式可調(diào)和可編程控制等顯著特點(diǎn)，多個(gè)聲源集束發(fā)射，能獲得增強(qiáng)的聲信號(hào)強(qiáng)度，作為一種新的高效的水下強(qiáng)聲聲源，可用于對(duì)敵方聲吶和魚雷等進(jìn)行干擾、壓制、毀傷等水聲對(duì)抗措施。為了能使水下等離子體聲源能有效用于各種水聲對(duì)抗應(yīng)用，需要對(duì)水下等離子體聲源的控制系統(tǒng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。本文介紹一種水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能對(duì)多個(gè)等離子體聲源進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)幾十千伏高壓的充放電控制，監(jiān)控各聲源的充電電壓、充放電狀態(tài)和故障狀態(tài)，可控制充電速度，可設(shè)定多種觸發(fā)模式，可實(shí)現(xiàn)以下微秒級(jí)的高精度多通道觸發(fā)時(shí)序控制：

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要能實(shí)現(xiàn)各種操控功能，還要考慮其特殊的應(yīng)用環(huán)境，滿足用于水聲對(duì)抗的使用需求。

1.1 系統(tǒng)組成

水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)主要由主控設(shè)備、控制機(jī)箱等組成，如圖1所示。

主控設(shè)備為主控軟件的運(yùn)行平臺(tái)，嵌入了1塊用于同控制機(jī)箱間進(jìn)行信息交互的通信卡。通過(guò)主控軟件操作界面顯示聲源發(fā)射系統(tǒng)和控制系統(tǒng)狀態(tài)信息，設(shè)定工作參數(shù)，發(fā)送操控指令，實(shí)現(xiàn)時(shí)延解算、邏輯功能控制和多元反饋信息接收顯示等人機(jī)交互操控。

圖1 水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)組成框圖Fig．1 Underwater plasm sound source charge and discharge control system composing

控制機(jī)箱為各功能板卡的載體，與聲源發(fā)射系統(tǒng)一起安裝于水下艙體內(nèi)，為適應(yīng)水下密閉的工作環(huán)境，控制機(jī)箱選用低功耗小型工控機(jī)，由艙體電源提供直流供電。通過(guò)通信纜接收主控設(shè)備發(fā)送的多通道控制信息，分別控制多通道發(fā)射聲源的充放電和觸發(fā)狀態(tài)，采集等離子體聲源發(fā)射系統(tǒng)各基元的反饋信息，并上傳給主控設(shè)備。

控制機(jī)箱的功能由裝載的各功能板卡實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，各功能板卡主要包括：

1)多通道數(shù)據(jù)采集卡，用于實(shí)時(shí)采集發(fā)射系統(tǒng)各聲源的反饋信號(hào);

2)多通道模擬輸出卡，用于向發(fā)射系統(tǒng)各聲源輸出設(shè)定模擬信號(hào);

3)多通道高精度數(shù)字IO卡，用于向發(fā)射系統(tǒng)各聲源發(fā)送觸發(fā)脈沖控制信號(hào);

4)通道保護(hù)卡，用于多通道瞬態(tài)高壓抑制和瞬態(tài)強(qiáng)電流抑制，保護(hù)各功能板卡;

5)通信卡，用于主控設(shè)備和控制機(jī)箱間的雙工通信。

圖2 控制機(jī)箱內(nèi)部板卡信息流程圖Fig．2 Inner board infermation flow chart

為實(shí)現(xiàn)對(duì)水下等離子體聲源的遠(yuǎn)程操控，主控設(shè)備與控制機(jī)箱間的信息傳輸采用RS485/422通信協(xié)議，并選用符合RS485電氣特性的雙絞屏蔽防水電纜，可實(shí)現(xiàn)上千米的遠(yuǎn)距離傳輸。

1.2 功能設(shè)計(jì)

水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源發(fā)射系統(tǒng)的充放電操控和顯示，并根據(jù)實(shí)際使用需求，可實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)控等安全警示功能。

1)具有人機(jī)交互顯控操作功能，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，設(shè)定系統(tǒng)工作參數(shù)，操控指令發(fā)送等;

2)具有高壓充電控制功能，設(shè)定充電高壓值，控制充電速度，并監(jiān)控充電狀態(tài);

3)具有觸發(fā)放電控制功能，按時(shí)序邏輯和基元組合方式控制多個(gè)基元觸發(fā)放電;

4)具有高壓降壓控制功能，控制聲源發(fā)射系統(tǒng)對(duì)多個(gè)基元進(jìn)行降壓，并監(jiān)控降壓狀態(tài);

5)具有工作模式選擇功能，設(shè)定不同工作模式，選擇充放電周期、基元組合等;

6)具有狀態(tài)告警功能，對(duì)設(shè)備故障、充電過(guò)壓、超時(shí)保壓等異常情況進(jìn)行聲光告警。

1.3 流程設(shè)計(jì)

為確保水下等離子體聲源的正常工作，對(duì)控制系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)完成各功能所需的信息采集、信息設(shè)定、信息傳輸、顯示、操控等過(guò)程。

1)系統(tǒng)自檢

在系統(tǒng)工作前，為確保系統(tǒng)正常、安全運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)各組成部分的供電狀態(tài)、功能、通信等進(jìn)行自檢，并將自檢結(jié)果反饋給主控軟件顯示，系統(tǒng)自檢流程如圖3所示。

2)工作通道選擇

選擇系統(tǒng)當(dāng)次工作所需要的放電通道，充放電控制操作只對(duì)選定的通道有效。

3)工作模式選擇

選擇系統(tǒng)當(dāng)次工作的模式，可以有單次觸發(fā)模式、連射觸發(fā)模式和齊射觸發(fā)模式3種。單次觸發(fā)模式為手動(dòng)單次觸發(fā)，連射觸發(fā)模式為各選定通道按時(shí)序依次觸發(fā)，齊射觸發(fā)模式為各選定通道同步觸發(fā)。

4)工作參數(shù)設(shè)定

設(shè)定觸發(fā)間隔、觸發(fā)波次、監(jiān)控刷新頻率等參數(shù)。

工作通道選擇、工作模式選擇、工作參數(shù)設(shè)定3個(gè)操控在主控設(shè)備上完成，依據(jù)這3項(xiàng)設(shè)定在控制機(jī)箱中形成對(duì)各通道觸發(fā)的控制時(shí)序。

5)充電電壓設(shè)定

圖3 系統(tǒng)自檢流程圖Fig．3 System test-self flow chart

設(shè)定當(dāng)次放電所需的充電電壓，由控制機(jī)箱給發(fā)射系統(tǒng)的充電電壓設(shè)定電平信號(hào)的電壓和電流控制發(fā)射系統(tǒng)完成充電過(guò)程。

6)充電狀態(tài)顯示

發(fā)射系統(tǒng)向控制系統(tǒng)反饋充電狀態(tài)，包括實(shí)時(shí)充電電壓顯示、充電完畢狀態(tài)顯示。此外，為防止充電完畢后長(zhǎng)時(shí)間不觸發(fā)情況下，充電保持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在控制系統(tǒng)中對(duì)充電保持狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，若超過(guò)充電保持時(shí)間，在顯控界面上報(bào)警提示，如圖4所示。

圖4 充電狀態(tài)告警流程圖Fig．4 Charge state alarm flow chart

7)觸發(fā)放電

充電完畢后，按下觸發(fā)放電按鈕，控制機(jī)箱接收到觸發(fā)放電控制命令，依照前面設(shè)定生成的各通道觸發(fā)控制時(shí)序，向發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)控制脈沖信號(hào)，完成觸發(fā)放電。

8)觸發(fā)狀態(tài)顯示

發(fā)射系統(tǒng)向控制系統(tǒng)反饋觸發(fā)放電狀態(tài)信號(hào)，由控制機(jī)箱接收后發(fā)送給主控設(shè)備實(shí)時(shí)顯示。

9)充電停止

觸發(fā)放電完畢或充電完畢不觸發(fā)情況下，按下充電停止按鈕，控制機(jī)箱停止向發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送充電電壓設(shè)定信號(hào)，發(fā)射系統(tǒng)停止充電開始卸壓。

10)卸壓狀態(tài)顯示

發(fā)射系統(tǒng)向控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋卸壓電壓，直至卸壓完畢，向控制系統(tǒng)發(fā)送卸壓完畢狀態(tài)信號(hào)，控制系統(tǒng)顯控界面實(shí)時(shí)顯示卸壓狀態(tài)。

1.4 性能設(shè)計(jì)

由于水下等離子體聲源產(chǎn)生的強(qiáng)聲脈沖脈寬為微秒量級(jí)，在用于水聲干擾時(shí)，為形成持續(xù)的強(qiáng)聲壓制，需要控制多個(gè)基元進(jìn)行連續(xù)觸發(fā)放電，不同通道的觸發(fā)信號(hào)在時(shí)序上要有交叉;在用于水聲偽裝時(shí)，為形成特定的聲頻特征，需要控制基元依照一定的時(shí)序進(jìn)行觸發(fā)放電;在用于強(qiáng)聲毀傷時(shí)，為形成強(qiáng)聲能量匯聚，需要控制多個(gè)基元依照解算時(shí)序進(jìn)行觸發(fā)放電，使多個(gè)強(qiáng)聲脈沖同時(shí)到達(dá)聚束點(diǎn)。這些實(shí)際應(yīng)用都需要水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)具有高精度的多通道時(shí)序控制能力，為此，在控制機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)，選用了高精度的多通道數(shù)字IO卡來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖控制，板卡內(nèi)部有最高30 MHz時(shí)鐘源，時(shí)間精度可達(dá)納秒級(jí)，最小邊沿觸發(fā)脈沖寬度10 ns，且可編程控制，能滿足微秒級(jí)的高精度多通道控制時(shí)序需求，如圖5所示。

圖5 高精度時(shí)序控制測(cè)試圖Fig．5 High precision schedule coutrol test

水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)的工作環(huán)境非常復(fù)雜，頻繁的幾十千伏高壓充放電會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的電磁環(huán)境，如強(qiáng)電磁輻射、高壓串?dāng)_、強(qiáng)電流串?dāng)_等，這種復(fù)雜的電磁環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通控制信號(hào)電路的承受范圍，容易造成電路燒毀、通信異常等，因此，要求設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有可靠的抗干擾能力，以確保控制系統(tǒng)可正常工作。經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析設(shè)計(jì)和試驗(yàn)摸索，總結(jié)出以下抗干擾措施：

1)采用光電隔離措施，功能板卡各輸入輸出通道均設(shè)計(jì)光電隔離模塊;

2)采用瞬態(tài)抑制保護(hù)，功能板卡帶抗高壓隔離保護(hù)模塊，針對(duì)輸入輸出電壓和電流信號(hào)專門設(shè)計(jì)通道保護(hù)卡，對(duì)瞬態(tài)高壓和瞬態(tài)強(qiáng)電流進(jìn)行抑制保護(hù);

3)采用電磁屏蔽措施，所有連接線均選用屏蔽線，通信電纜選用雙絞屏蔽電纜，控制機(jī)箱選用屏蔽機(jī)箱;

4)采用接地措施，所有電纜屏蔽層良好接地，所有機(jī)箱外殼良好接地。

2 結(jié)語(yǔ)

本文提出的水下等離子體聲源充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案充分考慮了聲源的使用需求，在滿足基本充放電操控功能的同時(shí)，從可靠性安全性角度出發(fā)，增加了對(duì)充放電過(guò)程的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。此外，由于控制機(jī)箱安裝于水下密閉艙體中，且在高壓觸發(fā)放電產(chǎn)生的強(qiáng)電磁輻射和高壓串?dāng)_的復(fù)雜環(huán)境下工作，避免不了受電磁輻射、瞬態(tài)高壓和瞬態(tài)強(qiáng)電流的影響，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用了低功耗、低散熱的元器件，并設(shè)計(jì)了各種隔離保護(hù)措施，經(jīng)初步驗(yàn)證，這些措施都是有效的，充放電控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的各種功能和高精度的時(shí)序控制，但要想控制系統(tǒng)能在這樣的復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，減少系統(tǒng)維護(hù)，還需通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)行優(yōu)化完善，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

A design for underwater plasm sound source charge and discharge control system

ZHANG Xiao-liang
(Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory，Systems Engineering Research Institute of China State Shipbuilding Corporation，Beijing 100036，China)

This paper introduced a design for charge and discharge control system that used to underwater plasm sound source，supplied a resolvent for high-energy sound source control．It can implement long-distance operation for multi-channel simultaneity，and watch the operation status．There are highprecision electro-elements used in system，and adopted series safeguard for abominable operation condition．It is met the design requirement that the time control precision is microsecond level．

underwater acoustic antagonizing;control system;charge and discharge control;trigger control;plasm sound source

TB56

A

1672－7649(2012)07－0092－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.020

2011－05－25

張曉亮(1979－)，男，碩士，工程師，從事水聲工程研究。