一种舰船尾流探测系统设计

 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。

1．2 硬件设计
    CPLD选用可编程逻辑器件MAX7128SLC-84，DSP选用ADI公司的ADSP21062。MAX7128SLC-84可以将I／O设置在3．3 V或5 V下工作。因为系统中DSP，AD9200的工作电压均为3．3 V，故CPLD的I／O也设置为3．3 V。然而CCD工作电压为5 V，需要的外部驱动时序脉冲也都为5 V电平模式，而MAX7128SLC-84输出的脉冲信号都为3．3 V，电平不匹配，这里采用ADG3308芯片对MAX7128SLC-84输出的CCD驱动信号作电平转换，使它们从3．3 V变为5 V。MAX7128SLC-84与系统DSP，74AHC574，CCD之间的同步控制如图3所示。

    END信号每11 ms产生一个负脉冲作为DSP的外部中断请求信号，低电平有效。CLR信号由DSP产生，作为清零信号，当CLR为低时，则不产生CCD与AD9200的驱动时钟。PCLK是DSP的时钟，与CPLD的输入时钟信号同频，这里PCLK由CPLD产生而不是直接由晶振送入DSP是为了保证整个电路系统在统一的时钟下工作。ADSP21062与74AHC574之间采用DMA握手方式读取数据。74AHC574的CP与OE必须严格进行设置，否则采样数值将有时候发生紊乱。74AHC574的CP信号由CPLD产生，CP滞后DATACLK，在数据有效期内CP上升沿将数据锁存至74AHC574。DMAR1信号由CPLD产生，ADSP21062响应该外部中断请求DMAR1后输出DMAG1信号作为74AHC574的输出使能信号OE，从而以握手方式将数据送到ADSP21062的外部总线上。DSP用FLAG2产生DMAREN以控制DMAR1请求，方便ADSP2106在做数据处理时关断外部中断，防止由其产生的更改内部RAM数据的误操作。
1．3 软件设计
    由理论研究的结论可知，散射光空间谱强度服从圆对称的高斯分布，因此，为了得到气泡光散射谱强度分布的峰值和线宽参数，必须对测量数据进行高斯拟合。然而，由于高斯拟合算法无法克服光强饱和的影响，拟合曲线的形状跟真实的谱强度的实际分布往往误差较大，这会影响整个系统的探测精度、作用距离。进一步分析可知，由于信号测量数值起伏不定，还存在一些严重偏离实际数值的杂散点，这些是由CCD器件的噪声引起的，它们也严重影响了高斯拟合算法的效果。小波消噪技术使得信号测量数据值起伏变小，且消除了大部分的孤值点，从而使高斯拟合算法更有效，拟合结果也更逼近实际的谱强度分布。CCD每10．6 ms输出一帧数据，一帧的信号输出大约10 000个，为了提高程序执行效率和运算速度，把经过小波消噪之后的数据再进行压缩，抽取其中500个数据点做高斯拟合处理。通过高斯拟合算法求出散射角谱高斯拟合曲线的峰值、峰值位置以及半高宽度。最后将求得的半高宽度和峰值输出到后续USB接口部分。

2 结 语
    本文设计的舰船尾流探测系统，以尾流后向散射光空间频谱强度的半高宽度和峰值来判断水中是否存在尾流。这种测量方法能够有效抑止背景干扰，有一定的先进性。目前水下航行器的速度为30～70海里／h(1海里=1．852 km)，探测系统输出的数据周期为11 ms，假设水下航行器的速度为70海里／h，那么，探测系统每0．396 m采集一次数据，其精度是比较高的。实验结果表明，该探测系统体积小、稳定性好、可靠性高、处理速度快、探测结果准确。