水下装备环境实测技术探讨

张毅男，高鸣哲，王斗辉

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370）（2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东 广州 511370）

0 引言

环境应力数据作为水下装备的基础数据，在装备研制生产中起着重要的作用，它不仅为装备耐环境设计和确定可靠性、环境适应性试验条件提供依据，而且对于研究解决装备重大技术质量问题具有不可或缺的意义[1]。同济大学铁道与城市轨道交通研究院的邓辰鑫等[2]针对轨道车辆，利用约翰森法则改进振动数据归纳标准，并提出具有普适性的振动环境谱归纳技术，利用实测数据进行计算，对比改进前后方法的差异，并检验该归纳技术的普适性。中国空空导弹研究院的刘凯[3]讨论一种基于实测数据来分析和研究空空导弹自由飞振动环境，空空导弹自由飞振动试验条件制定方法，通过实测数据处理得到空空导弹每个区域的振动响应谱，结合地面试验和动力学仿真分析修订得出地面试验谱用于工程实施。北京飞机强度研究所和北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院田永卫等[4]根据某机型振动环境实测概况，结合实测数据导出后验分布类型，提出了以分测试区域不同状态下的振动规范谱编制归纳方法。并将处理结果用于实际工程试验，表明该方法正确合理。南京航空航天大学振动工程研究所的李奇志等[5]结合参数的无偏估计理论，推导出给定概率下基于统计的与置信度无关的随机实测上限归纳方法，同时运用这一方法对国内某运输机机载雷达安装平台测量的数据进行处理，得到振动环境下实测归纳曲线。

鉴于水下装备种类众多，任务复杂多样，相对于其他军用装备缺乏相关标准描述水下装备在执行各任务时的环境条件和时序，环境数据量较少，数据零散，造成环境可靠性设计、分析、试验和评价工作缺少基础性的数据支撑。因此迫切需要进行环境实测技术研究，开展典型产品的环境数据实测工作，积累环境基础资源数据，并应用于型号工程研制，促进装备环境适应性水平提高。

本文介绍了水下装备环境数据采集方法、设备、原理和环境数据处理方法，同时选取某典型产品开展了环境实测工作，给出了其实测结果，为装备研制阶段环境设计和后期考核条件确定提供了真实有效的数据支撑。

1 环境数据采集方法

环境数据采集主要包括实测设备准备、制定测试方案、传感器安装和测试实施、数据处理等步骤，如图1 所示。

图1 环境数据采集

a）实测设备准备

水下装备环境数据采集需要专业的测量设备，以保证长时间准确采集所需信息，选购设备时要考虑数据采集时长、精度要求、数据储存量、安装要求和使用环境要求等。嵌入式数据采集与分析系统进行数据采集和分析，温度采集选用热电偶，振动和冲击数据采集选用三轴向加速度传感器。选购的设备需及时计量，以保障测量数据的准确性。同时，需要进行设备调试和编写测试程序，以适应特定的数据采集任务需求。

b）制定测试方案

首先，要明确测试原理，以利于后续数据处理和及时解决测试中出现的各种问题。其次，水下装备环境数据采集工作可以与水下装备的贮存试验、运输试验和外场试验等结合开展，根据数据采集类型需求选择恰当的测试时机。再次，可根据水下装备环境数据采集的任务需求和传感器安装的可行性，选取特定的测试点。最后，根据水下装备环境数据采集测试指标要求确定测试项目并编写测试大纲。

c）传感器安装及测试实施

为收集水下装备关键部位的环境条件情况，需要在水下装备各个关键部位安装相应的测试传感器，同时，要考虑测试传感器安装在不同位置的振动响应情况，选取能代表典型振动特征的点或产品关重件与结构刚性连接点安装传感器。此外，安装过程中还要注意设备的绝缘防护和防水措施。在测试实施过程中，要通过测试计算机定时监测测试数据，避免测试设备被干扰出现异常数据，以及测试线路异常断开等情况。

d）数据处理

实测设备采集的数据存在噪声、采集时机不典型和采集时水下装备工况不够严酷等情况导致实测数据不能直接被利用。需要选取有效实测数据进行进一步处理成可用的数据。通常实测振动、冲击等数据的处理包括信号的预处理、信号检验和数据分析3 个阶段。首先，进行预处理，以剔除奇异点和消除趋势项；然后，进行数据检验；最后，通过数字分析（如快速傅里叶变换）得到频域数据[6-8]。根据测试结果，对各测量点温度及冲击振动各方向的数据进行分析，比较各测量点相同方向的分析结果，同时比较使用状态、测点位置对测试结果的影响。为保证分析结果的有效性，根据所采用的数据分析方法在算法、硬件、抗混叠滤波、泄露与加窗处理、频率分辨率、误差预估和适用范围等的特点和测量要求，推荐合理的分析参数设置。

2 环境数据采集设备及测试原理

环境数据采集设备一般包括测量传感器、嵌入式数据采集与记录系统和外部电源，其中测量传感器主要包括热电偶、三轴向加速度传感器；嵌入式数据采集与记录系统主要包括实时控制器、热电偶输入模块和动态信号采集模块等。

环境数据测试的原理为：测量传感器将被测物理量转换为相应的电信号，以便后续处理。热电偶用于测量温度和三轴向加速度传感器用于测量振动和冲击。嵌入式数据采集与记录系统由前端传感器，通过多通道采集转换器接口，经过转接设备（包括电缆、适配器等）连接采集卡，采集信号采样后，经控制器在虚拟软件平台中搭建分析仪和模拟器运算，将采集到的前端信号进行处理，完成对测试对象的振动加速度等物理参数的测试、记录和处理。测试计算机安装嵌入式控制与监测套件，完成实测数据的处理与分析。外部电源对嵌入式数据采集与记录系统进行供电。测试原理图如图2 所示。

图2 测试原理图

3 环境数据处理方法

实测冲击和振动数据的处理包括信号的预处理、信号检验和数据分析3 个阶段。首先，进行预处理，对所测数据的有效性进行确认，辨识数据类型，检查数据中的异常（如信号削波、间歇噪声、虚假趋势、异常点和信号丢失等），按数据剔除准则和数据中的异常点和暂时丢失的修正方法对数据进行编辑，以剔除奇异点和消除趋势项；然后，进行数据检验；最后，通过数字分析（如快速傅里叶变换）得到频域数据。

振动数据处理的方法如图3 所示。

图3 振动数据处理方法

其中，统计法（90/99）代表的是置信度为90%下以概率99%取值得到的振动环境条件随机振动实测谱，用于环境试验振动条件；统计法（50/95）代表的是置信度为50%下以概率95%取值得到的振动环境条件随机振动实测谱，用于可靠性振动试验条件。

冲击数据处理的方法如图4 所示。

图4 冲击数据处理方法

可根据相关标准将冲击时域数据处理为冲击响应谱（SRS）用于环境试验冲击条件。

4 应用案例

选取某典型产品开展了环境实测工作，首先根据该产品的寿命剖面，确定了寿命期内各任务阶段（如贮存、运输和使用等）和环境影响因素，在此基础上明确了测试对象、测试内容、测试参数和测试时产品的使用状态等，选取了合适的测量点，实测了该产品贮存、运输和使用等任务阶段的温度、冲击和振动数据，并进行了数据处理（部分数据如图5～7 所示），得到了产品环境应力载荷谱，为确定产品的环境适应性要求、制定环境防护设计准则、规范环境可靠性试验条件和探索有效的试验方法提供了依据。

图5 某温度实测数据

图6 某振动实测数据

图7 某冲击实测数据

5 结束语

本文针对水下装备环境数据匮乏，专业标准规范少导致的装备论证、研制、设计和考核过程中缺乏基础数据支撑的情况，对水下装备实测技术进行了探讨，给出了环境数据采集方法、环境数据采集设备及原理、环境数据处理方法，详细说明了水下装备环境数据实测的流程。同时给出某型装备的数据实测结果，支撑其装备耐环境设计及试验条件确定，积累了水下装备环境实测的经验。