艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量技術(shù)

張貴榮, 梁國杰

(中國人民解放軍92601部隊， 廣東 湛江 524009)

0 引 言

艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置是通過壓力實(shí)現(xiàn)艦艇垂向波浪的穩(wěn)定性控制，結(jié)合反饋補(bǔ)償控制的方法，實(shí)現(xiàn)艦艇垂向波浪抑制，提高艦艇垂向的穩(wěn)定性[1]。在進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的質(zhì)量維護(hù)過程中，需要對艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力進(jìn)行精確計量和測量，構(gòu)建艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力測量模型，通過壓力傳感器裝置，進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力數(shù)據(jù)采集，結(jié)合信息融合和特征分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量，提高艦艇的穩(wěn)定性，相關(guān)的艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力傳感測量方法研究受到人們的極大關(guān)注。

對艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量是建立在對壓力傳感數(shù)據(jù)采集和信息融合基礎(chǔ)上，結(jié)合傳輸延時分配方法和統(tǒng)計分析方法，進(jìn)行傳感信息跟蹤融合和特征匹配，實(shí)現(xiàn)壓力的精確計量[2-3]，但傳統(tǒng)方法進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量中存在誤差擾動較大和特征分辨能力不好的問題。對此，本文提出基于分布式陣列傳感量化融合跟蹤檢測的艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力測量技術(shù)。采用壓力傳感器進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力數(shù)據(jù)采集，對采集的艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，結(jié)合譜分析方法，進(jìn)行壓力傳感測量，并實(shí)現(xiàn)對壓力傳感測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計，最后進(jìn)行仿真測試分析，展示了本文方法在提高壓力傳感測量能力方面的優(yōu)越性能。

1 壓力數(shù)據(jù)采集和融合處理

1.1 波浪補(bǔ)償裝置的壓力數(shù)據(jù)采集

為了實(shí)現(xiàn)對艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量，首先構(gòu)建艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力數(shù)據(jù)采集模型，采用壓力傳感器進(jìn)行原始壓力數(shù)據(jù)采集，考慮由N個壓力傳感器節(jié)點(diǎn)組成的壓力測量陣列，采用分布式陣列組網(wǎng)設(shè)計的方法[4]，進(jìn)行補(bǔ)償裝置的壓力測量，得到測量方程描述為：

x(k+1)=A(k)x(k)+Γ(k)w(k),

(1)

zi(k)=Hi(k)x(k)+ui(k),i=1,2,…,N,

(2)

其中，x(k)∈Rn×1為壓力狀態(tài)；A(k)∈Rn×n為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；w(k)表示壓力傳感器的陣列能量分布向量，表示為均值為零且方差為Q(k)的干擾分量；Γ(k)為壓力傳感信號中心頻率；zi(k)∈Rp×1為第i個傳感器的進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力信息采集的測量值；Hi(k)∈Rp×n為相應(yīng)的測量矩陣；壓力信息測量的干擾信息分量ui(k)∈Rp×1是均值為零且方差為Di(k)的高斯白噪聲。

通過優(yōu)化陣元分布進(jìn)行壓力傳感器部署，得到傳感器監(jiān)測的基元向量w(k)與測量數(shù)據(jù)ui(k)之間的關(guān)聯(lián)性特征分布，壓力信息測量的最優(yōu)傳感節(jié)點(diǎn)部署模型為：

(3)

壓力信息測量的傳感器陣元初始狀態(tài)x(0)均值為x0，方差為P0，且獨(dú)立于w(k)和ui(k)，i=1,2,…,N。基于分布式陣列傳感量化融合跟蹤的方法進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集，得到統(tǒng)計特征量：

(4)

其中，艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的輸出量化噪聲qi(k)的方差滿足：

(5)

其中，Δi(k,r)表示k時刻第i個測量節(jié)點(diǎn)檢測到的艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力信息，對第r個分量壓力信號進(jìn)行分段濾波，固定量化步長，r=1,2,…,p。得到艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的傳感壓力信息采樣輸出為：

(6)

根據(jù)對艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感原始數(shù)據(jù)采集結(jié)果，結(jié)合數(shù)據(jù)聚類和信息融合的方法，進(jìn)行壓力測量。

1.2 壓力數(shù)據(jù)的融合處理

在上述采用壓力傳感器進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，對采集的艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理[5]，在固定陣元個數(shù)、平均陣元間距的條件下，得到壓力測量的擴(kuò)維測量方程可表示為：

M(k)=H(k)x(k)+V(k),

(7)

E[V(k)VT(k)]=

(8)

壓力數(shù)據(jù)序列的柵瓣與信號帶寬之間的關(guān)聯(lián)特征量w(k)與V(k)的相關(guān)性為：

E[w(k)VT(k)]=

(9)

由于RV(k)是一正定的實(shí)對稱陣，采用自適應(yīng)波束形成方法，進(jìn)行脈沖寬度估計和譜特征提取[6]，并將RV(k)唯一地分解為：

RV(k)=L(k)R(k)LT(k),

(10)

其中，R(k)=diag{r1(k),r2(k)…,rNq(k)}為線性調(diào)頻對角陣；L(k)為單位下三角陣，采用模糊聚類方法進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)的融合處理，在融合中心，得到艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力擴(kuò)維測量方程可以轉(zhuǎn)化為:

(11)

其中,

(12)

結(jié)合高階譜特征提取方法[7]，得到艦艇垂向波浪補(bǔ)償?shù)膲毫ρa(bǔ)償輸出為：

(13)

(14)

結(jié)合上述算法設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對壓力傳感數(shù)據(jù)融合處理，根據(jù)數(shù)據(jù)融合結(jié)果進(jìn)行量化跟蹤識別，提高壓力測量的準(zhǔn)確性。

2 壓力傳感測量算法優(yōu)化

在上述進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，進(jìn)行壓力傳感測量優(yōu)化，本文提出基于分布式陣列傳感量化融合跟蹤檢測的艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力測量技術(shù)，提取壓力數(shù)據(jù)的能量譜特征量，采用高階譜的譜峰識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量[8]，測量方程為:

(15)

其中,

(16)

(17)

(18)

以陣列能量為約束對象，得到c(k)=tr[N(k)]/tr[C(k)]，當(dāng)輸出的狀態(tài)特征量滿足：

(19)

得到壓力傳感測量的適應(yīng)度函數(shù)為：

(20)

(21)

Y(k|k-1)={I-F(k-1) [F(k-1)+

(22)

(23)

(24)

(25)

其中：

(26)

(27)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

在上述進(jìn)行了艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量算法設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計，在集成DSP環(huán)境下進(jìn)行壓力傳感測量系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計，壓力測量系統(tǒng)主要由AD信息采集模塊、艦艇垂向波浪補(bǔ)償控制模塊、總線傳輸模塊、上位機(jī)通信模塊、壓力信息處理模塊和人機(jī)交互模塊等構(gòu)成[10]，系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架如圖1所示。

圖1 壓力測量系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架

Fig. 1 The overall design architecture of the pressure measurement system

在DSP高速信號處理芯片中，進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力測量系統(tǒng)的硬件開發(fā)，采用32位嵌入式設(shè)計方法進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力測量系統(tǒng)的輸出信息采樣，采用ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)作為嵌入式處理器，使用ADI公司的EE-NOTE68設(shè)計艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力測量系統(tǒng)的上位機(jī)，得到系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路圖

4 實(shí)驗(yàn)測試分析

為了測試本文方法在實(shí)現(xiàn)艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力測量中的性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)定壓力測量的多通道數(shù)據(jù)記錄動態(tài)范圍：-10 dB～+20 dB，艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力信息采樣率：≥200 KHz，艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的控制指令脈沖寬度為2 s，壓力傳感信號的調(diào)制幅度在4 V以內(nèi)，得到艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力測量輸出如圖3所示。

圖3 艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力測量輸出

Fig. 3 Pressure measurement output of ship vertical wave compensation device

分析圖3得知，采用本文方法能有效實(shí)現(xiàn)對艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量，測量輸出的譜峰較高，說明抗干擾性較好。測試不同方法進(jìn)行壓力測量的準(zhǔn)確性，得到對比結(jié)果如圖4所示，分析圖4得知，本文方法進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力測量的精度較高，誤差較小。

圖4 測量準(zhǔn)確性對比

5 結(jié)束語

構(gòu)建艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力測量模型，通過壓力傳感器裝置，進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力數(shù)據(jù)采集，本文提出基于分布式陣列傳感量化融合跟蹤檢測的艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力測量技術(shù)。采用壓力傳感器進(jìn)行艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力數(shù)據(jù)采集，對采集的艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，采用高階譜的譜峰識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量。采用ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)作為嵌入式處理器，進(jìn)行壓力傳感測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計。分析得知，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)對艦艇垂向波浪補(bǔ)償裝置的壓力傳感測量，測量精度較高，誤差較小。