船微弱水壓信號測量技術研究論文

摘要:大型船舶在航海過程中會使周圍海域壓力場發生變化，壓力大小與船舶航行速率、噸位大小及氣候環境相關，水壓場測量技術是艦船動力系統的重要研究領域之一。三元陣列是測量深海領域船舶微弱水壓場的主流技術，通過壓力傳感器採集水壓數據，隨後進行算法處理，得到的壓力值精確度高，且算法實時性較好，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，利用三元陣列技術給出船舶微弱水壓場特徵值的提取方法，最後進行仿真。

關鍵詞:三元陣列技術;水壓場測量;信噪比

引言

精密製造業快速發展，船舶朝着大型化及高精度的方向發展，船舶動力系統是船舶製造業中最重要的設備。微弱水壓是船舶在航行過程中引起的周圍水域的壓力變化，是研製船舶動力系統時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製造業的研究課題之一。同時，隨着傳感器及物聯網技術的發展，基於傳感器的壓力測試系統大量應用在深海船微弱壓力數據採集及處理中，其中三元陣列系統得到了最廣範的應用，通過不同方位的傳感器得到壓力數據的三元陣列，隨後通過數據處理得到水壓場特徵值，系統採集數據準確，算法實效性高，是現在船舶微弱水壓場測量的主要技術［1］。本文對船舶微弱水壓場的測量技術進行分析，改進傳統的三元陣技術使其能適應深海領域的水壓場測量。

1三元陣微弱水壓測試系統結構

三元陣微弱測水壓場試系統包含3個水壓傳感單元，其形成一個三角區域，每個區域的傳感器分佈在一條直線上，通過水麪上的控制器對傳感器進行控制，獲取不同空間分佈的微弱測水壓場值。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、信號調製調解等［2］，整個系統的結構如圖1所示。如圖1所示，整個三元陣微弱測水壓場試系統主要由以下重要模塊組成:1)高靈敏度的水壓場傳感器通過合理的空間部署採集不同水位、不同方向的水壓場數據。2)水下電子艙控制水壓場傳感器開關，傳感器將採集數據上載至水下電子艙，對其進行數據信號初步處理，並將結果通過傳輸電纜上載至控制單元。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傳感器進行處理，並控制水下電子艙。

2基於三元陣列的水壓場特徵值分析

利用三元陣列水壓場測試系統採集數據的目的就是為了提取其壓力特徵值，使船舶動力系統及電子設備能夠去除水壓場信號的干擾。本文利用小波包分析方法，通過濾波船舶航行中水壓場的干擾背景，提取出其特徵值。小波包提取法的步驟如下［3］:1)對水壓場按照不同的層次對信號的小波包進行分解。2)分解後形成了不同層次的小波包集，按照給定的標準確定一個最優值。3)小波包分析後形成了離散係數，並按照閥值對係數進行量化。4)通過量化後的小波包離散係數及確定的最優小波基對船舶水壓場數據進行重構，並提取出水壓場信號特徵值。2.1最優小波包基確定利用三元陣列水壓場測試系統採集的水壓場數據由多個不同空間屬性的小波包組成，每個包的特性不同，需要選擇一個基準小波包來表示水壓場信號的特性，其選擇原則是使代價函數最小。三元陣列的小波包處在樹結構的不同層次，本文采用搜索方法，自低向上進行搜索［4］，圖2(a)中每個框中的數值代表其小波包代價值，子節點的上一層節點稱為母節點，若母節點衍生的2個子節點的代價和小於自身價值，則修改母節點代碼為2個子節點的代價和。搜索層次如圖2所示。2.2閥值的量化係數採用極小化均值對三元陣列的水壓場小波包進行量化:(1)式中:ck為確定的最優小波包基的`分解係數;n為係數的數量值;AIGMA為海上水壓場傳感器採集數據混入的噪聲均方差;ALPHA為公式的調整參數，根據實際情況本文取ALPHA=1.258。小波包係數確定後，需要對其標準化，首先選擇一個標準閥值，有硬閥值和軟閥值2種選擇。1)硬閥值小波包的係數與硬閥值進行比較，若小於硬閥值則為0，否則保留原值［5］。

3算法實現及仿真

3.1算法實現上節給出了水壓場的特徵值分析及小波包的係數，下面給出基於三元陣列的水壓場分析方法，本文采用自適應濾波器對水壓場信號進行過濾，其原理如圖3所示。如圖3中，濾波器的3個輸入X1，X2，X3對應三元陣列水壓場測試的不同方向的水壓場數據集，自適應濾波器中的3個向量權值為W1，W2，W3，用如下表達式表示:3.1算法實現對本文基於三元陣列的水壓場的數據分析進行仿真，與傳統的水壓場數據信號測量結果進行對比，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

本文研究了基於三元陣列的深海船微弱水壓場信號測量技術，重點給出了最優小波包確定算法及閥值量化算法，最後對測量信號進行了自適應濾波處理，提高了測量數據精度。