一種艦船尾流探測系統設計
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0 引 言
艦船、潛艇以及其他水下航行器在運動中，都會由于螺旋槳的旋轉產生空化或者海面的波浪破碎以及從吃水線部分大量空氣的卷入，在艦船尾部的海水中形成一條含有大量氣泡的氣泡幕帶，即艦船尾流。尾流中的氣泡形成后會受到重力、浮力、粘滯阻力三部分合力的作用而經歷一個溶解、上升以及氣體膨脹的過程。尾流中氣泡的存在使得其透射、散射等光學特性與無擾動的靜水不同，利用上述性質的尾流光探測方法應運而生。對尾流的探測是間接探測艦船及水下航行器的一種新方法，有著廣闊的應用前景和重要的國防意義。本文設計實現了一種利用激光照射尾流氣泡，通過測量氣泡后向散射光空間頻譜分布來探測尾流氣泡的艦船尾流實時探測系統。
1 系統工作原理及硬件組成
1．1 系統工作原理
尾流光探測方法通常采用直接測量尾流氣泡后向散射光功率強度。通過分析，這種方法容易受到背景干擾。本文采用一種新的測量方法，給尾流氣泡后向散射光接收系統前加一個傅里葉變換透鏡，可以得到散射光的空間頻譜分布，由于散射光的頻譜強度服從圓對稱的高斯分布，所以只要選取通過圓心的任意一個方向散射光的角譜強度即可表征該高斯分布的所有特征。實驗證明，探測氣泡的散射光空間頻譜分布是一種非常有效的尾流探測方法，并且可以抑止背景干擾。這里采用線陣CCD作為光電轉換器件，可編程控制芯片(CPLD)作為時序產生單元，DSP芯片作為高速數字信號處理及控制單元，AD9200作為模數轉換單元，USB接口作為系統輸出上傳單元，構成氣泡光散射特性實時探測處理系統。系統工作原理如圖1所示。整個系統按照模塊化設計方法來設計，使系統的整體結構更加完善和清晰，系統性能得以提高，為調試、維修帶來方便。
在系統中,為了保證時序的匹配，各部分均運行在一個統一的基本時鐘下，由一個外接晶振 40 MHz作為整個系統統一的輸入時鐘送人CPLD，經CPLD產生CCD的各路驅動時鐘信號、 ADC驅動信號、USB和DSP的時鐘信號以及CPLD和DSP通信的信號。 A／D的工作頻率和CCD的輸出頻率嚴格同步以確保不丟失有用的數據。 CCD輸出的模擬信號經過A／D轉換器轉換成數字信號送入系統的處理單元DSP進行處理。 DSP進行信號處理后以12位的分辨率把數字形式的氣泡散射空間頻譜的峰值和半高寬度值送給USB單元， 通過USB接口實時上傳至電腦處理并存儲。系統DSP數據處理部分的工作流程如圖2所示。
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