陈家林,徐 灏,袁奕博,刘兰军,连波超

(中国海洋大学 工程学院,山东 青岛,266061)

0 引言

水下目标探测技术对于提高水下信息感知能力、维护海洋权益具有重要意义。目前常用的水下目标探测技术有声探测、激光探测、电场探测及磁场探测等[1-3]。水下声探测具有传播距离远、能量损耗小等优势,是目前主要的水下目标探测手段,但随着目标降噪技术的发展,以及受到水文声混响等噪声制约,声探测局限性越来越明显。水下激光探测技术具有分辨率高、水中传播速度快、抗干扰能力强等优点,但易受到水质等环境因素影响且波速窄、探测效率低、探测距离小[4]。水下电场探测利用目标体在海洋环境中的腐蚀电流和阴极保护产生的电流进行探测,具有隐蔽性强、探测距离远的特点[5]。水下磁场探测技术是搜索水下磁性体的有效手段之一,通过获取海洋磁背景下的磁异常,得到磁性目标体的探测信息,具有识别能力强、定位精度高的特点[6]。

面向水下目标远距离探测,作为声探测的有效补充,电磁探测技术已在国内外受到广泛关注。20 世纪60 年代初,美国和加拿大在冰山上安装电场传感器阵列对目标进行电场探测搜索,成功搜索到目标位置[7]。20 世纪80 年代末,苏联研制了Anagram 电磁探测系统,该系统包括2 根50 km 长的电缆,电缆上间隔安装240 个电极,测量通道数为80,可完成目标体运动方向、航线角度和深度的探测[8]。进入21 世纪,美国海军将磁传感器搭载在自主水下航行器上,实现对水雷的探测[9]。国内中国海洋大学利用自主研制的水下电磁采集系统,采用自容式存储,通过3 分量电场信号和2 分量感应式磁场信号,获取到船舶轴频电磁场信号,探测半径达600 m 以上[10]。

在前期海底电磁采集方法和装备研究的基础上,文中针对现有水下目标电磁探测技术探测物理量单一、实时性差、综合适应能力弱等问题,研制了一套水下实时综合电磁探测系统。该系统对海洋微弱电场、动态磁场和总磁场信号进行采集,实现了高精度、宽动态范围的电磁信号采集、存储及网络实时传输,可对水下目标实施综合探测。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

通过海洋电磁探测系统实现水下目标的高精度探测和定位是文中研究的核心目标。针对此目标,探测系统需要解决超低噪声观测、高精度同步采集、高可靠连续实时传输及水下长时间作业等一系列问题。文中从结构设计和软硬件实现等方面对探测系统进行了深入的研究和优化。图1 为水下实时综合电磁探测系统的总体设计。整个系统分为三部分: 海底电磁采集子系统、监控子系统和通信链路子系统。

图1 水下实时综合电磁探测系统总体设计示意图Fig.1 Overall design of underwater real-time integrated electromagnetic detection system

海底电磁采集子系统负责对海洋环境和目标电磁场信号进行采集,采集子系统配备高精度电场传感器、感应式磁场传感器、磁通门传感器和方位姿态传感器,其核心是电磁记录仪。采集站框架采用PP 材料和316 不锈钢制作,尺寸为长900 mm、宽 900 mm、高700 mm。海底电磁采集子系统在X、Y和Z等3 个正交方向各配有1 对Ag/AgCl 电极作为电场传感器,电极安装在韧性良好的PVC 延长杆上,每对电极的极距为10 m;X、Y正交方向各配有1 根感应式磁场传感器作为动态磁场测量通道,传感器通过槽和螺丝固定在采集站的框架上;电磁记录仪被安装在采集站中心,使用耐压舱保护,磁通门传感器设置在舱内,磁通门对X、Y和Z正交分量的总磁场进行测量,作为3 个静态磁场通道;方位姿态传感器为外接模块,固定在硬件电路板上,为后续的数据处理校正提供方位及姿态信息。电磁记录仪完成信号前置放大、数据采集、数据存储、状态监测、人机交互、实时通信及数据回收等功能。

监控子系统包括3 个功能单元: 系统配置单元、实时数据接收单元和状态监控单元。系统配置单元在海洋电磁采集系统工作前进行参数配置、仪器启动等操作。实时数据接收单元接收水下电磁采集站上传的电磁场数据并进行处理。状态监控单元对整套系统工作状态进行监控,实时查询水下采集站姿态、电压及温度等信息,并对异常情况进行报警。

通信链路子系统是监控子系统和水下电磁采集子系统的通信桥梁,水下电磁采集子系统通过通信链路将采集的电磁场数据实时传输到监控子系统。通信链路采用无磁承重通信缆,长200 m,破断拉力2 000 kg,经海试测试采用控制器局域网(controller area network,CAN)总线通信,速率为125 kb/s,能够保证系统工作稳定性。

1.2 海底电磁采集子系统硬件电路设计

1) 系统硬件电路组成

电磁记录仪是水下实时综合电磁探测系统的核心,负责电磁场数据采集、存储和实时上传。电磁记录仪结构如图2 所示,系统主要由电磁信号处理单元、数字主控单元和电源管理单元三部分组成,可采集3 电场分量、3 磁通门分量和2 感应磁场分量共8 个分量的海洋电磁信号。

图2 电磁记录仪硬件设计框图和实物图Fig.2 Hardware design and prototype of electromagnetic recorder

2) 电场信号检测处理电路

海洋电磁天然场信号非常微弱,电场强度在1 Hz处为0.01～0.2 mV/km,因此设计超低噪声电场信号检测电路是获取海洋微弱电场信号的必要条件。文中设计的电场信号检测电路由电场接口、斩波调制、交流放大、解调滤波和直流跟随电路构成,实现电场传感信号的低噪声放大,如图3 所示。

图3 电场信号检测电路Fig.3 Electric field signal detection circuit

电场传感器(见图4)采用自主研制的Ag/AgCl电极,经测试电场传感器本底噪声水平约为电极对阻抗约为6 Ω,极差小于0.1 mV。

图4 电场传感器Fig.4 Electric field sensor

3) 磁场信号检测处理电路

磁场信号处理电路见图5。磁场传感器采用磁通门传感器(见图6)和感应式磁场传感器(见图7)。磁通门采用西安华舜测量设备有限责任公司研制的传感器,本底噪声小于感应式磁场传感器采用中国科学院空天信息创新研究院研制的传感器,本底噪声小于1 Hz。磁场通道检测电路由磁场接口、电压跟随和比例衰减构成。

图5 磁场信号处理电路Fig.5 Magnetic field signal processing circuit

图6 磁通门传感器Fig.6 Fluxgate sensor

图7 感应式磁场传感器Fig.7 Inductive magnetic field sensor

4) 信号采集与数字主控电路

信号采集和数字主控电路为系统提供数据同步采集、A/D 转换、数据存储及数据实时传输等功能,是实现系统功能的关键部分,其框图如图8 所示。数字主控单元包括主控、A/D 转换、高精度温补时钟、串口通信、数据采集与存储、数据实时传输、低功耗管理及状态监控等模块。主控单元核心采用微处理器ARM(advanced RISC machine)+现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)架构,负责同步采集和控制工作。A/D 转换模块由2 片4 通道24 位同步采集模拟-数字转换器(analog-to-digital converter,ADC)组成,提供高精度模数转换功能。高精度温补时钟模块是系统的基准时钟来源,为系统实时时钟(real time clock,RTC)逻辑、ADC 等部分提供时钟、保障系统的同步性,文中采用时钟自动标定技术进行时钟温度补偿,结合授时和校时技术进行时钟漂移校准,完成时间同步。串口通信模块提供参数配置、命令收发等功能。数据采集与存储模块实现海洋电磁场数据的可靠采集,并按规定协议对数据进行存储。数据实时传输模块通过通信缆连接至海洋监控中心,将电磁数据实时传输至水面处理。低功耗管理模块对各部分电源进行灵活控制。状态监控模块负责监控系统电压、方位姿态和程序执行状态,在异常情况下执行掉电保护、系统复位和发送警告等操作。

图8 信号采集与数字主控电路框图Fig.8 Block diagram of signal acquisition and digital main control circuit

海洋电磁场信号采集对实时性和功耗有较高要求,主控制器选用STM32H743IIT6 型单片机,该单片机基于CortexM7 内核,其总线、时钟树部分设计优良,提升性能的同时也优化了功耗FPGA 选用Altera 公司的EP3C16F484I7,这款芯片有高内存/逻辑和乘数/逻辑比,具备良好的低功耗性能。FPGA 实时性好,提供的通道同步采集控制功能。ARM+FPGA 架构具备高效性能,ARM 负责系统控制,FPGA 可灵活地进行硬件设计,节约了硬件体积,提高了系统的集成度[11]。

1.3 海底电磁采集子系统软件设计

ARM 软件流程图如图9 所示。系统初始化完成后进入参数配置流程,微控制器(microcontroller unit,MCU)根据所接收的命令进行系统配置,包括采集参数设置、存储设置和授时操作等。配置成功后,启动采集并对各功能模块上电,开启数据实时上传通道,此时系统工作在采集模式,MCU 自动处理相应事务。采集工作完成后,下发命令停止采集、保存文件。最后可以通过开舱取SD 卡或网络传输方式回收数据文件。

图9 ARM 软件流程图Fig.9 Flow chart of ARM software

FPGA 状态转移示意如图10 所示,为了实现系统的多通道电磁数据同步采集功能,程序设计了等待、采集和读取等多个状态。逻辑的基本驱动信号是复位信号和时钟信号,状态机的使用使得数据采集的同步性和实时性得到了保证,提高了电磁场数据的可靠性。

图10 FPGA 状态转移图Fig.10 FPGA state transfer

2 实验验证

为了验证仪器对真实海洋电磁场信号的采集能力,进行了系统性能及整体功能的多项测试,其中包括硬件本底噪声测试、硬件幅相频率特性测试、系统功耗测试以及以太网软件功能测试等等。

2.1 电磁场本底噪声测试

硬件电路本底噪声是电路内部自然存在的噪声信号,在采集微弱的海洋电场信号时,本底噪声的影响不可忽视。设计如下方案对3 个电场通道和5 个磁场通道的本底噪声进行测试: 首先搭建系统和测试环境,对电场、磁场传感器接口进行短路,启动采集并将数据存储于Mirco SD 卡。采集完成后使用MATLAB 程序对数据文件进行分析。通过功率谱密度分析,电场和磁场通道的噪声曲线如图11 所示,图中下方3 条曲线分别为3 个电场通道噪声密度,电场噪声约为1 Hz;上方5 条曲线分别为5 个磁场通道的噪声密度,磁场噪声约为从曲线趋势可以看出,电场和磁场的通道一致性较好。

图11 电磁场通道本底噪声测试结果Fig.11 Background noise test results of electromagnetic field channel

2.2 电磁场幅频特性测试

图12(a)是6 个增益下的对数幅频特性曲线。从曲线走势可以看出: 电场通道满足带通滤波特性,6 个增益下的一致性良好;在1～10 Hz 频率范围增益稳定,频率增高至30 Hz 左右有3 dB 增益衰减,同时频率降低至0.6 Hz 有3 dB 增益衰减。图12(b)为电场通道相频特性曲线图,可以看出6 个不同增益下的相位特性一致性较好,在1 Hz时,最大相位差异仅0.21°。从整体上看,随着频率增大,相位偏移减小,频率为0.1 Hz 时相位偏移接近180°,频率为100 Hz 时相位偏移接近-90°。

图12 电场通道幅相频率特性测试结果Fig.12 Amplitude and phase frequency characteristic of electric field channel

2.3 网络带宽测试

使用JPerf 2.0.2 软件对基于lwIP(light weight internet protocol)的以太网速度性能进行测试,JPerf作为传输控制协议(transmission control protocol,TCP)客户端,水下电磁探测系统作为TCP 服务器,基于lwIP 的软件使用RAW API 接口编写。图13为网络速度折线图,其中基于lwIP 的以太网通信速度平均为6.32 MB/s。

图13 网络速度折线图Fig.13 Network speed

2.4 系统集成测试

为了验证仪器的实际工作能力,进行电场传感器、磁通门磁场传感器及感应式磁场传感器的集成采集测试。搭建测试环境如图14 所示。测试在中国海洋大学电磁探测实验室进行,测试设备包括水槽、磁屏蔽筒和被测电磁采集系统上位机。水槽用于盛放电极,磁屏蔽筒用于存放磁场传感器,电磁采集系统和上位机摆放在实验桌上。大型磁屏蔽筒能容纳感应式磁场传感器、光泵磁强计等大体积传感器,其使用特殊合金制成,可将地磁场、环境干扰磁场屏蔽至小于1 nT。

图14 系统集成测试环境Fig.14 Test environment of system integration

系统集成测试结果如图15 所示,所采用的磁通门传感器灵敏度为100 mV/μT,通过图中Mx、My和Mz的测试结果,得到磁通门分量噪声指标为通过对电磁场传感器的实际信号采集测试,验证了系统对电磁场信号综合采集的能力。

图15 系统集成测试结果Fig.15 Test results of system integration

2.5 系统测试总结

系统测试指标见表1。

表1 系统测试指标Table 1 Parameters of system test

3 结束语

针对水下目标电磁探测需求,结合海洋电磁探测系统的仪器实时性、综合性需求,提出面向实时综合观测的海洋电磁记录仪的设计方案,包括系统硬件设计、软件设计和逻辑设计,最终实现电磁记录仪系统的研制。并对其性能和实际采集效果进行测试,通过本底噪声性能测试验证了系统各性能指标达到要求;并使用Ag/AgCl 电极、磁通门和磁棒进行了多传感器集成测试,验证了系统对于实际电磁场信号的采集、存储和实时上传能力。文中所提方案的验证实验仅在实验室中进行,后续工作将利用模拟源完成海试试验,并对实际目标识别开展进一步研究。