船微弱水压信号测量技术研究论文

　　摘要:大型船舶在航海过程中会使周围海域压力场发生变化，压力大小与船舶航行速率、吨位大小及气候环境相关，水压场测量技术是舰船动力系统的重要研究领域之一。三元阵列是测量深海领域船舶微弱水压场的主流技术，通过压力传感器采集水压数据，随后进行算法处理，得到的压力值精确度高，且算法实时性较好，得到了较为广泛的应用。本文分析深海船微弱水压测量压力，利用三元阵列技术给出船舶微弱水压场特征值的提取方法，最后进行仿真。
　　关键词:三元阵列技术;水压场测量;信噪比
　　引言
　　精密制造业快速发展，船舶朝着大型化及高精度的方向发展，船舶动力系统是船舶制造业中最重要的设备。微弱水压是船舶在航行过程中引起的周围水域的压力变化，是研制船舶动力系统时需要考虑的重要因素之一。因此，对深海船微弱压力的测试成为船舶制造业的研究课题之一。同时，随着传感器及物联网技术的发展，基于传感器的压力测试系统大量应用在深海船微弱压力数据采集及处理中，其中三元阵列系统得到了最广范的应用，通过不同方位的传感器得到压力数据的三元阵列，随后通过数据处理得到水压场特征值，系统采集数据准确，算法实效性高，是现在船舶微弱水压场测量的主要技术［1］。本文对船舶微弱水压场的测量技术进行分析，改进传统的三元阵技术使其能适应深海领域的水压场测量。
　　1三元阵微弱水压测试系统结构
　　三元阵微弱测水压场试系统包含3个水压传感单元，其形成一个三角区域，每个区域的传感器分布在一条直线上，通过水面上的控制器对传感器进行控制，获取不同空间分布的微弱测水压场值。水面上的控制器包括电源管理模块、以及一些信号处理单元，包括同步、滤波、信号调制调解等［2］，整个系统的结构如图1所示。如图1所示，整个三元阵微弱测水压场试系统主要由以下重要模块组成:1)高灵敏度的水压场传感器通过合理的空间部署采集不同水位、不同方向的水压场数据。2)水下电子舱控制水压场传感器开关，传感器将采集数据上传至水下电子舱，对其进行数据信号初步处理，并将结果通过传输电缆上传至控制单元。3)水上的控制及信号处理单元水上控制及信号处理单元对接收到的水压场传感器进行处理，并控制水下电子舱。
　　2基于三元阵列的水压场特征值分析
　　利用三元阵列水压场测试系统采集数据的目的就是为了提取其压力特征值，使船舶动力系统及电子设备能够去除水压场信号的干扰。本文利用小波包分析方法，通过滤波船舶航行中水压场的干扰背景，提取出其特征值。小波包提取法的步骤如下［3］:1)对水压场按照不同的层次对信号的小波包进行分解。2)分解后形成了不同层次的小波包集，按照给定的标准确定一个最优值。3)小波包分析后形成了离散系数，并按照阀值对系数进行量化。4)通过量化后的小波包离散系数及确定的最优小波基对船舶水压场数据进行重构，并提取出水压场信号特征值。2.1最优小波包基确定利用三元阵列水压场测试系统采集的水压场数据由多个不同空间属性的小波包组成，每个包的`特性不同，需要选择一个基准小波包来表示水压场信号的特性，其选择原则是使代价函数最小。三元阵列的小波包处在树结构的不同层次，本文采用搜索方法，自低向上进行搜索［4］，图2(a)中每个框中的数值代表其小波包代价值，子节点的上一层节点称为母节点，若母节点衍生的2个子节点的代价和小于自身价值，则修改母节点代码为2个子节点的代价和。搜索层次如图2所示。2.2阀值的量化系数采用极小化均值对三元阵列的水压场小波包进行量化:(1)式中:ck为确定的最优小波包基的分解系数;n为系数的数量值;AIGMA为海上水压场传感器采集数据混入的噪声均方差;ALPHA为公式的调整参数，根据实际情况本文取ALPHA=1.258。小波包系数确定后，需要对其标准化，首先选择一个标准阀值，有硬阀值和软阀值2种选择。1)硬阀值小波包的系数与硬阀值进行比较，若小于硬阀值则为0，否则保留原值［5］。
　　3算法实现及仿真
　　3.1算法实现上节给出了水压场的特征值分析及小波包的系数，下面给出基于三元阵列的水压场分析方法，本文采用自适应滤波器对水压场信号进行过滤，其原理如图3所示。如图3中，滤波器的3个输入X1，X2，X3对应三元阵列水压场测试的不同方向的水压场数据集，自适应滤波器中的3个向量权值为W1，W2，W3，用如下表达式表示:3.1算法实现对本文基于三元阵列的水压场的数据分析进行仿真，与传统的水压场数据信号测量结果进行对比，给出不同水柱幅度的测量误差均方差的比较值，如表1所示。
　　4结语
　　本文研究了基于三元阵列的深海船微弱水压场信号测量技术，重点给出了最优小波包确定算法及阀值量化算法，最后对测量信号进行了自适应滤波处理，提高了测量数据精度。