舰船尾流实时探测系统设计

　　舰船、潜艇以及其他水下航行器在运动中，都会由于螺旋桨的旋转产生空化或者海面的波浪破碎以及从吃水线部分大量空气的卷入，在舰船尾部的海水中形成一条含有大量气泡的气泡幕带，即舰船尾流。尾流中的气泡形成后会受到重力、浮力、粘滞阻力三部分合力的作用而经历一个溶解、上升以及气体膨胀的过程。尾流中气泡的存在使得其透射、散射等光学特性与无扰动的静水不同，利用上述性质的尾流光探测方法应运而生。对尾流的探测是间接探测舰船及水下航行器的一种新方法，有着广阔的应用前景和重要的国防意义。本文设计实现了一种利用激光照射尾流气泡，通过测量气泡后向散射光空间频谱分布来探测尾流气泡的舰船尾流实时探测系统。

　　1 系统工作原理及硬件组成

　　1.1 系统工作原理

　　尾流光探测方法通常采用直接测量尾流气泡后向散射光功率强度。通过分析，这种方法容易受到背景干扰。本文采用一种新的测量方法，给尾流气泡后向散射光接收系统前加一个傅里叶变换透镜，可以得到散射光的空间频谱分布，由于散射光的频谱强度服从圆对称的高斯分布，所以只要选取通过圆心的任意一个方向散射光的角谱强度即可表征该高斯分布的所有特征。实验证明，探测气泡的散射光空间频谱分布是一种非常有效的尾流探测方法，并且可以抑止背景干扰。这里采用线阵CCD作为光电转换器件，可编程控制芯片(CPLD)作为时序产生单元，DSP芯片作为高速数字信号处理及控制单元，AD9200作为模数转换单元，USB接口作为系统输出上传单元，构成气泡光散射特性实时探测处理系统。系统工作原理如图1所示。整个系统按照模块化设计方法来设计，使系统的整体结构更加完善和清晰，系统性能得以提高，为调试、维修带来方便。

　　在系统中,为了保证时序的匹配，各部分均运行在一个统一的基本时钟下，由一个外接晶振

　　40 MHz作为整个系统统一的输入时钟送人CPLD，经CPLD产生CCD的各路驱动时钟信号、

　　ADC驱动信号、USB和DSP的时钟信号以及CPLD和DSP通信的信号。

　　A/D的工作频率和CCD的输出频率严格同步以确保不丢失有用的数据。

　　CCD输出的模拟信号经过A/D转换器转换成数字信号送入系统的处理单元DSP进行处理。

　　DSP进行信号处理后以12位的分辨率把数字形式的气泡散射空间频谱的峰值和半高宽度值送给USB单元，

　　通过USB接口实时上传至电脑处理并存储。系统DSP数据处理部分的工作流程如图2所示。