一种水下等离子体声源充放电控制系统设计

张晓亮

(水声对抗技术重点实验室，中国船舶工业集团公司船舶系统工程部，北京 100036)

一种水下等离子体声源充放电控制系统设计

张晓亮

(水声对抗技术重点实验室，中国船舶工业集团公司船舶系统工程部，北京 100036)

介绍一种水下等离子体声源充放电控制系统的设计方案，能为水下强声源干扰对抗控制提供一种解决途径，设计的充放电控制系统能实现对多个等离子体声源的充放电进行远程操控，并监控工作状态。控制系统设计上选取高精度器件，并采取了一系列防护措施，以适应复杂的工作条件，并满足微秒级高精度时序控制要求。

水声对抗;控制系统;充电控制;触发控制;等离子体声源

0 引言

水下等离子体声源是一种高强度、宽带可控声源，能产生比传统换能器更高的声源级，且具有声源体积小、频响范围宽、声源级高、电声转换效率高、发射方式可调和可编程控制等显著特点，多个声源集束发射，能获得增强的声信号强度，作为一种新的高效的水下强声声源，可用于对敌方声呐和鱼雷等进行干扰、压制、毁伤等水声对抗措施。为了能使水下等离子体声源能有效用于各种水声对抗应用，需要对水下等离子体声源的控制系统进行专门设计。本文介绍一种水下等离子体声源充放电控制系统的设计方案，能对多个等离子体声源进行远程操控，实现几十千伏高压的充放电控制，监控各声源的充电电压、充放电状态和故障状态，可控制充电速度，可设定多种触发模式，可实现以下微秒级的高精度多通道触发时序控制：

1 控制系统设计

水下等离子体声源充放电控制系统的设计不仅要能实现各种操控功能，还要考虑其特殊的应用环境，满足用于水声对抗的使用需求。

1.1 系统组成

水下等离子体声源充放电控制系统主要由主控设备、控制机箱等组成，如图1所示。

主控设备为主控软件的运行平台，嵌入了1块用于同控制机箱间进行信息交互的通信卡。通过主控软件操作界面显示声源发射系统和控制系统状态信息，设定工作参数，发送操控指令，实现时延解算、逻辑功能控制和多元反馈信息接收显示等人机交互操控。

图1 水下等离子体声源充放电控制系统组成框图Fig．1 Underwater plasm sound source charge and discharge control system composing

控制机箱为各功能板卡的载体，与声源发射系统一起安装于水下舱体内，为适应水下密闭的工作环境，控制机箱选用低功耗小型工控机，由舱体电源提供直流供电。通过通信缆接收主控设备发送的多通道控制信息，分别控制多通道发射声源的充放电和触发状态，采集等离子体声源发射系统各基元的反馈信息，并上传给主控设备。

控制机箱的功能由装载的各功能板卡实现，如图2所示，各功能板卡主要包括：

1)多通道数据采集卡，用于实时采集发射系统各声源的反馈信号;

2)多通道模拟输出卡，用于向发射系统各声源输出设定模拟信号;

3)多通道高精度数字IO卡，用于向发射系统各声源发送触发脉冲控制信号;

4)通道保护卡，用于多通道瞬态高压抑制和瞬态强电流抑制，保护各功能板卡;

5)通信卡，用于主控设备和控制机箱间的双工通信。

图2 控制机箱内部板卡信息流程图Fig．2 Inner board infermation flow chart

为实现对水下等离子体声源的远程操控，主控设备与控制机箱间的信息传输采用RS485/422通信协议，并选用符合RS485电气特性的双绞屏蔽防水电缆，可实现上千米的远距离传输。

1.2 功能设计

水下等离子体声源充放电控制系统主要实现对声源发射系统的充放电操控和显示，并根据实际使用需求，可实现故障监控等安全警示功能。

1)具有人机交互显控操作功能，显示系统工作状态，设定系统工作参数，操控指令发送等;

2)具有高压充电控制功能，设定充电高压值，控制充电速度，并监控充电状态;

3)具有触发放电控制功能，按时序逻辑和基元组合方式控制多个基元触发放电;

4)具有高压降压控制功能，控制声源发射系统对多个基元进行降压，并监控降压状态;

5)具有工作模式选择功能，设定不同工作模式，选择充放电周期、基元组合等;

6)具有状态告警功能，对设备故障、充电过压、超时保压等异常情况进行声光告警。

1.3 流程设计

为确保水下等离子体声源的正常工作，对控制系统的工作流程进行优化设计，实现完成各功能所需的信息采集、信息设定、信息传输、显示、操控等过程。

1)系统自检

在系统工作前，为确保系统正常、安全运行，对系统各组成部分的供电状态、功能、通信等进行自检，并将自检结果反馈给主控软件显示，系统自检流程如图3所示。

2)工作通道选择

选择系统当次工作所需要的放电通道，充放电控制操作只对选定的通道有效。

3)工作模式选择

选择系统当次工作的模式，可以有单次触发模式、连射触发模式和齐射触发模式3种。单次触发模式为手动单次触发，连射触发模式为各选定通道按时序依次触发，齐射触发模式为各选定通道同步触发。

4)工作参数设定

设定触发间隔、触发波次、监控刷新频率等参数。

工作通道选择、工作模式选择、工作参数设定3个操控在主控设备上完成，依据这3项设定在控制机箱中形成对各通道触发的控制时序。

5)充电电压设定

图3 系统自检流程图Fig．3 System test-self flow chart

设定当次放电所需的充电电压，由控制机箱给发射系统的充电电压设定电平信号的电压和电流控制发射系统完成充电过程。

6)充电状态显示

发射系统向控制系统反馈充电状态，包括实时充电电压显示、充电完毕状态显示。此外，为防止充电完毕后长时间不触发情况下，充电保持时间过长，在控制系统中对充电保持状态进行监控，若超过充电保持时间，在显控界面上报警提示，如图4所示。

图4 充电状态告警流程图Fig．4 Charge state alarm flow chart

7)触发放电

充电完毕后，按下触发放电按钮，控制机箱接收到触发放电控制命令，依照前面设定生成的各通道触发控制时序，向发射系统发送触发控制脉冲信号，完成触发放电。

8)触发状态显示

发射系统向控制系统反馈触发放电状态信号，由控制机箱接收后发送给主控设备实时显示。

9)充电停止

触发放电完毕或充电完毕不触发情况下，按下充电停止按钮，控制机箱停止向发射系统发送充电电压设定信号，发射系统停止充电开始卸压。

10)卸压状态显示

发射系统向控制系统实时反馈卸压电压，直至卸压完毕，向控制系统发送卸压完毕状态信号，控制系统显控界面实时显示卸压状态。

1.4 性能设计

由于水下等离子体声源产生的强声脉冲脉宽为微秒量级，在用于水声干扰时，为形成持续的强声压制，需要控制多个基元进行连续触发放电，不同通道的触发信号在时序上要有交叉;在用于水声伪装时，为形成特定的声频特征，需要控制基元依照一定的时序进行触发放电;在用于强声毁伤时，为形成强声能量汇聚，需要控制多个基元依照解算时序进行触发放电，使多个强声脉冲同时到达聚束点。这些实际应用都需要水下等离子体声源充放电控制系统具有高精度的多通道时序控制能力，为此，在控制机箱设计时，选用了高精度的多通道数字IO卡来实现触发脉冲控制，板卡内部有最高30 MHz时钟源，时间精度可达纳秒级，最小边沿触发脉冲宽度10 ns，且可编程控制，能满足微秒级的高精度多通道控制时序需求，如图5所示。

图5 高精度时序控制测试图Fig．5 High precision schedule coutrol test

水下等离子体声源充放电控制系统的工作环境非常复杂，频繁的几十千伏高压充放电会产生复杂的电磁环境，如强电磁辐射、高压串扰、强电流串扰等，这种复杂的电磁环境远远超出了普通控制信号电路的承受范围，容易造成电路烧毁、通信异常等，因此，要求设计的控制系统具有可靠的抗干扰能力，以确保控制系统可正常工作。经过仔细的分析设计和试验摸索，总结出以下抗干扰措施：

1)采用光电隔离措施，功能板卡各输入输出通道均设计光电隔离模块;

2)采用瞬态抑制保护，功能板卡带抗高压隔离保护模块，针对输入输出电压和电流信号专门设计通道保护卡，对瞬态高压和瞬态强电流进行抑制保护;

3)采用电磁屏蔽措施，所有连接线均选用屏蔽线，通信电缆选用双绞屏蔽电缆，控制机箱选用屏蔽机箱;

4)采用接地措施，所有电缆屏蔽层良好接地，所有机箱外壳良好接地。

2 结语

本文提出的水下等离子体声源充放电控制系统设计方案充分考虑了声源的使用需求，在满足基本充放电操控功能的同时，从可靠性安全性角度出发，增加了对充放电过程的实时远程监控。此外，由于控制机箱安装于水下密闭舱体中，且在高压触发放电产生的强电磁辐射和高压串扰的复杂环境下工作，避免不了受电磁辐射、瞬态高压和瞬态强电流的影响，因此，系统设计时选用了低功耗、低散热的元器件，并设计了各种隔离保护措施，经初步验证，这些措施都是有效的，充放电控制系统工作稳定，能实现预期的各种功能和高精度的时序控制，但要想控制系统能在这样的复杂环境下长时间稳定工作，减少系统维护，还需通过试验测试，进行优化完善，进一步提高系统的可靠性。

A design for underwater plasm sound source charge and discharge control system

ZHANG Xiao-liang
(Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory，Systems Engineering Research Institute of China State Shipbuilding Corporation，Beijing 100036，China)

This paper introduced a design for charge and discharge control system that used to underwater plasm sound source，supplied a resolvent for high-energy sound source control．It can implement long-distance operation for multi-channel simultaneity，and watch the operation status．There are highprecision electro-elements used in system，and adopted series safeguard for abominable operation condition．It is met the design requirement that the time control precision is microsecond level．

underwater acoustic antagonizing;control system;charge and discharge control;trigger control;plasm sound source

TB56

A

1672－7649(2012)07－0092－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.020

2011－05－25

张晓亮(1979－)，男，硕士，工程师，从事水声工程研究。