船微弱水壓信號測量技術(shù)研究論文
摘要:大型船舶在航海過(guò)程中會(huì )使周?chē)Ｓ驂毫?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)測量技術(shù)是艦船動(dòng)力系統的重要研究領(lǐng)域之一。三元陣列是測量深海領(lǐng)域船舶微弱水壓場(chǎng)的主流技術(shù)，通過(guò)壓力傳感器采集水壓數據，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(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)測量;信噪比
引言
精密制造業(yè)快速發(fā)展，船舶朝著(zhù)大型化及高精度的方向發(fā)展，船舶動(dòng)力系統是船舶制造業(yè)中最重要的設備。微弱水壓是船舶在航行過(guò)程中引起的周?chē)虻膲毫ψ兓�，是研制船舶�?dòng)力系統時(shí)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(shí)，隨著(zhù)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大量應用在深海船微弱壓力數據采集及處理中，其中三元陣列系統得到了最廣范的.應用，通過(guò)不同方位的傳感器得到壓力數據的三元陣列，隨后通過(guò)數據處理得到水壓場(chǎng)特征值，系統采集數據準確，算法實(shí)效性高，是現在船舶微弱水壓場(chǎng)測量的主要技術(shù)［1］。本文對船舶微弱水壓場(chǎng)的測量技術(shù)進(jìn)行分析，改進(jìn)傳統的三元陣技術(shù)使其能適應深海領(lǐng)域的水壓場(chǎng)測量。
1三元陣微弱水壓測試系統結構
三元陣微弱測水壓場(chǎng)試系統包含3個(gè)水壓傳感單元，其形成一個(gè)三角區域，每個(gè)區域的傳感器分布在一條直線(xiàn)上，通過(guò)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(chǎng)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、信號調制調解等［2］，整個(gè)系統的結構如圖1所示。如圖1所示，整個(gè)三元陣微弱測水壓場(chǎng)試系統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(guò)合理的空間部署采集不同水位、不同方向的水壓場(chǎng)數據。2)水下電子艙控制水壓場(chǎng)傳感器開(kāi)關(guān)，傳感器將采集數據上傳至水下電子艙，對其進(jìn)行數據信號初步處理，并將結果通過(guò)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(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)測試系統采集數據的目的就是為了提取其壓力特征值，使船舶動(dòng)力系統及電子設備能夠去除水壓場(chǎng)信號的干擾。本文利用小波包分析方法，通過(guò)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)對水壓場(chǎng)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，按照給定的標準確定一個(gè)最優(yōu)值。3)小波包分析后形成了離散系數，并按照閥值對系數進(jìn)行量化。4)通過(guò)量化后的小波包離散系數及確定的最優(yōu)小波基對船舶水壓場(chǎng)數據進(jìn)行重構，并提取出水壓場(chǎng)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(chǎng)測試系統采集的水壓場(chǎng)數據由多個(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)基準小波包來(lái)表示水壓場(chǎng)信號的特性，其選擇原則是使代價(jià)函數最小。三元陣列的小波包處在樹(shù)結構的不同層次，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)框中的數值代表其小波包代價(jià)值，子節點(diǎn)的上一層節點(diǎn)稱(chēng)為母節點(diǎn)，若母節點(diǎn)衍生的2個(gè)子節點(diǎn)的代價(jià)和小于自身價(jià)值，則修改母節點(diǎn)代碼為2個(gè)子節點(diǎn)的代價(jià)和。搜索層次如圖2所示。2.2閥值的量化系數采用極小化均值對三元陣列的水壓場(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;n為系數的數量值;AIGMA為海上水壓場(chǎng)傳感器采集數據混入的噪聲均方差;ALPHA為公式的調整參數，根據實(shí)際情況本文取ALPHA=1.258。小波包系數確定后，需要對其標準化，首先選擇一個(gè)標準閥值，有硬閥值和軟閥值2種選擇。1)硬閥值小波包的系數與硬閥值進(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)現及仿真
3.1算法實(shí)現上節給出了水壓場(chǎng)的特征值分析及小波包的系數，下面給出基于三元陣列的水壓場(chǎng)分析方法，本文采用自適應濾波器對水壓場(chǎng)信號進(jìn)行過(guò)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對應三元陣列水壓場(chǎng)測試的不同方向的水壓場(chǎng)數據集，自適應濾波器中的3個(gè)向量權值為W1，W2，W3，用如下表達式表示:3.1算法實(shí)現對本文基于三元陣列的水壓場(chǎng)的數據分析進(jìn)行仿真，與傳統的水壓場(chǎng)數據信號測量結果進(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結語(yǔ)
本文研究了基于三元陣列的深海船微弱水壓場(chǎng)信號測量技術(shù)，重點(diǎn)給出了最優(yōu)小波包確定算法及閥值量化算法，最后對測量信號進(jìn)行了自適應濾波處理，提高了測量數據精度。
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