深海离线低频振动信号采集装置的设计

宋爽，江思杰，黄鑫，李崴，乔文霞，成厚龙

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430205）

引言

随着人工智能技术的发展，水下航行器由最开始的拖曳式逐渐向自主执行任务的方式进行转变，无人水下航行器（ Unmanned Undersea Vehicle， UUV）最早由美国国防高级研究计划局于 20 世纪 60 年代提出。在发展初期，UUV 主要用于深水勘探、沉船打捞、水下电缆铺设及维修等民用领域，此后，由于军事冲突愈加频繁，美国军方将UUV的应用逐步扩展于水下声源探测、协助潜艇深水避雷、港口战术侦察等军事领域[1]。近十几年来，随着水下航行器的推进装置、导航系统、控制系统与支撑平台的技术迅猛发展，结合信息化战争所提倡的AI智能作战理念，水下航行器的军事应用收到了军事部门与专家的高度重视，并以潜艇为参照物，建立了反潜、反水雷作战、信息作战与水下侦察、深海通信等多领域的研究科目与应用场景，使得水下航行器的应用得到了空前发展。

为了满足水下航行器隐蔽航行的需求，研究水下航行器的振动噪声显得至关重要。水下航行器噪声的产生和传播途径存在多样性，其在航行时，发动机、电动机等高功率设备的持续工作、壳体的振动以及螺旋桨的转动均会向外辐射噪声。为了降低水下航行器的总体辐射噪声，研究人员主要从两个方面开展研究与分析[2]：

1）水下航行器各个部件的噪声分布与表征特性的研究分析；

2）水下航行器的系统架构与组成部件本身的固有噪声的全面评估分析。

分析水下航行器振动和辐射噪声的目的是为了实现有效的控制，以往研究人员往往通过水听器等声学设备，进行各种水下试验测试其壳体振动和辐射噪声，研究其振动和噪声谱的特性，运用现代频谱分析技术确定主要噪声源及其对辐射噪声的贡献，再根据噪声源的主次及其频率特征采取相应控制措施[3]，然而该方法也存在些许问题。

本文从水下航行器振动数据采集的角度出发，分析水下航行器振动数据采集的需求，提出了深海离线低频振动信号采集装置的设计方法，并通过试验对其性能进行了验证，为水下航行器的设计与研制提供了良好的技术手段，该方法也可以推广应用于各类水下静态或动态目标的振动测量。

1 需求分析

水下航行器在航行，发动机、电动机等高功率设备的持续工作、壳体的振动以及螺旋桨的转动均会向外辐射噪声[4]。此外由于流体激励效应的影响，航行时的水流体会对航行器壳体生产不了的冲击力，从而产生较大的升压，同时也会对航行器的相关精密设备造成影响。因此，为满足水下航行器的隐蔽航行的要求，针对水下航行器振动噪声测量显得尤为重要。

目前，主流的水下航行器振动测量方法为水下声场测量法，水下声场是水下航行器所产生的多种物理场中最为直观的一种，也是目前水下目标探测非常有效的观察对象，水下航行器的自适应性与隐蔽性都与水下声场有着密不可分的关系[5]。水下声场测量系统主要由水听器、数据采集与存储单元组成，其中水听器为标准型的、全方向性、频率响应 20 Hz~35 kHz，接收灵敏度为-170±2.0 dB re 1V/μPa；数据采集与存储单元采用高性能单片机，采样率高达 48 kHz，具有连续采集模式，动态范围大于 103 dB，量化精度 24 bits，放大增益倍数可调，存储容量 128 GB。使用水下声场测量系统测量水下目标的声场时，需要先组一条小型渔船，数据采集与存储单元平稳放置在船舱内，将多个水听器投入测量区域，监测水下目标的声场参数[6]。

上述方法虽从结果上实现了水下航行器振动噪声的测量，但仍然存在些许问题：

1）数据结果的可用性不高。水听器所测量的结果只是一个相对值，其会受到与水下目标的距离、深度、周围环境噪声等参数的影响，因此无法直观的给出水下航行器具体的噪声振动指标；

2）测量方法繁琐，成本极高。每次测量均需要配置一条船只，且船只行进时，由于船只本身的噪声会影响测量结果，因此只能等船停稳且发动机关闭时才能开展试验，极为不便；

3）安全性较差。当遇到海况不良时，船只的不稳定会造成仪器设备的损坏、水听器丢失等，甚至危及测量人眼的人身安全。

综上所述，水下声场法的数据结果只能作为参考，无法从本质上解决水下航行器振动噪声的测量问题，因此，项目组提出了一种满足深海水压要求、低噪声、低功耗、小型化的深海离线低频振动信号采集装置，该装置的使命任务是完成水下航行器的指定区域的振动信号采集，精准获取水下振动参数，服务于各类深海科研应用场景，为水下航行器的设计、研制、生产、试验研制提供有效的技术手段。

2 技术方案

深海离线低频振动信号采集装置的主要由水密外壳、低噪声采集板、隔振材料、储能单元以及压电式加速度传感器组成，其中储能单元、隔振材料与压电式加速度传感器布置在装置下层，低噪声采集板通过铜锣柱放置于上层，便于安装、调试与维护，具体内容如图1。

2.1 水密外壳

深海离线低频振动信号采集装置的水密外壳采用全钛合金材料制作，顶部端盖为水密外壳的密封，无外部结果，保证良好的水密性。水密外壳主要分为上下两层，下层外围安装锂电池组，用来提供稳定的直流续航；下层中部安装加速度传感器，用来获取被测对象振动数据；上层放置两块低噪声采集板，用来接收加速度传感器所采集的信号。水密外壳结构平面图如图2所示。

图2 水密外壳结构平面图

详细技术参数如下：

1）尺寸：Φ70 mm×100 mm；

2）材料：钛合金；

3）耐水压：水下200 m；

4）工作温度范围：（-20~55）℃；

5）工作相对湿度：20~90 %RH。

2.2 低噪声采集板

深海离线低频振动信号采集装置所选用的振动数据采集单元为自主研发的低噪声采集板，该采集板主要包括4个部分：主控单片机、AD采样单元、IEPE驱动单元以及上位机通信单元。低噪声采集板电路原理示意图如图3所示。

图3 低噪声信号采集板电路原理示意图

项目组在设计采集板时，将低功耗、低噪声两个标准放在首位，主控单片机选用德仪公司生产的Tiva Cortex M4，该ARM功耗极低，待机电流低至1.6 uA，项目组利用该ARM实现ADC采集、SD卡读写、低阶滤波抽取与数据处理；AD采样单元由于LT公司生产的LTC2440 AD采样芯片与德仪公司生产的THS4521放大电路组成，其中LTC2440是一款高速24位无延迟增量累加ADC，具备较低的功耗与极高的分辨率，而THS4521则具有同类型放大器最优的性能功耗比，两者的结合将为采集板在保证高分辨率数据采集的同时保持较低的功耗起到关键作用；IEPE驱动单元选用德仪公司生产的TL317可调三端稳压器作为恒流源，为压电式加速度传感器提供24 V驱动电压，该芯片拥有极高的稳定性，具备有效的全过载保护；上位机通信单元用来实现实时通信功能，采用485通信协议，将采集的振动频谱数据每隔3 min发给上位机发送一次，用于执行离线采集任务前的在线调试。

详细技术参数如下：

1） 采样量化位宽：24 bit；

2） 采样率：500 samples/s；

3） 无混叠带宽：205 Hz；

4） 等效输入噪声密度：100 nV/√Hz；

5） 输入交流耦合截止频率：<-3 Hz（-3 dB，一阶特性）；

6） 输入信号范围：±10 V；

7） 满量程信噪比：≥130 dB。

2.3 储能单元

为满足低噪声采集的特殊要求，深海离线低频振动信号采集装置的储能单元主要考虑锂电池、燃料电池等底噪较低的产品，市场上应用较为广泛的模块化电池主要有以下四类：铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池。本项目采用18650规格的锂离子电池作为基本单元，其是直径18 mm，长65 mm的圆柱形锂离子电池。18650锂离子电池的外壳采用镀镍钢材料，额定电压3.7 V、标称容量3 000 mAh。如图4所示。项目组通过多个18650串联，形成满足系统供电条件的锂电池组。

图4 低噪声信号采集板电路原理示意图

2.4 加速度传感器

为了降低功耗，深海离线低频振动信号采集装置仅配备了1台国产的三轴压电式加速度传感器，用于采集深海离线低频振动信号采集装置附着点的振动信号（图5）。由于采集板仅配备了1组IEPE通道，因此深海离线低频振动信号采集装置每个工况只能采集一个方向的振动信号，后续可扩展为三个方向同时采集，三轴压电式加速度传感器详细技术参数如下：

图5 压电式加速传感器典型低频响应曲线

1）灵敏度：500 mV/g；

2）测量范围：100 g peak；

3）最大振动：40 g rms；

4）底噪：100 Hz 0.4 μV/√Hz；

5）分辨率：0.01 mgrms；

6）频率范围：0.1 Hz～2 kHz。

图6 档案管理系统部分Web代码

3 试验与验证

为验证深海离线低频振动信号采集装置的性能指标，项目组采用电动振动台动态模拟出一个标准振动频谱，测试装置的离线振动信号采集功能：

1）设置振动台。开启振动控制器，将振动试验条件设置为加速度1 g，正弦振动，频率1~200 Hz；

2）设备安装。启动深海离线低频振动信号采集装置，将其通过压板固定在振动台上；

3）开启振动台。点击振动控制器上的启动按钮，开始振动试验，此时深海离线低频振动信号采集装置持续采集振动数据；

4）读取数据。振动结束后，取出深海离线低频振动信号采集装置内的SD卡，通过笔记本读取振动数据，如图7所示。

图7 档案管理系统部分Web代码

试验结果表明，深海离线低频振动信号采集装置测量的振动数据与设定的振动台试验条件相符，满足规定的指标要求。

4 结论

深海离线低频振动信号采集装置在一定程度上解决了水下航行器等类型的动态目标振动数据无法有效获取的问题，从根本解决了这项技术难题。然而，由于项目开发周期太短，还需投入更多的精力在实际使用环境下的水下航行器振动数据获取。本文从水下航行器振动数据采集的角度出发，分析水下航行器振动数据采集的需求，提出了深海离线低频振动信号采集装置的设计方法，并通过试验对其性能进行了验证，为水下航行器的设计与研制提供了良好的技术手段，该方法也可以推广应用于各类水下静态或动态目标的振动测量。