張毅男，高鳴哲，王斗輝

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）（2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣東 廣州 511370）

0 引言

環(huán)境應力數據作為水下裝備的基礎數據，在裝備研制生產中起著重要的作用，它不僅為裝備耐環(huán)境設計和確定可靠性、環(huán)境適應性試驗條件提供依據，而且對于研究解決裝備重大技術質量問題具有不可或缺的意義[1]。同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院的鄧辰鑫等[2]針對軌道車輛，利用約翰森法則改進振動數據歸納標準，并提出具有普適性的振動環(huán)境譜歸納技術，利用實測數據進行計算，對比改進前后方法的差異，并檢驗該歸納技術的普適性。中國空空導彈研究院的劉凱[3]討論一種基于實測數據來分析和研究空空導彈自由飛振動環(huán)境，空空導彈自由飛振動試驗條件制定方法，通過實測數據處理得到空空導彈每個區(qū)域的振動響應譜，結合地面試驗和動力學仿真分析修訂得出地面試驗譜用于工程實施。北京飛機強度研究所和北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院田永衛(wèi)等[4]根據某機型振動環(huán)境實測概況，結合實測數據導出后驗分布類型，提出了以分測試區(qū)域不同狀態(tài)下的振動規(guī)范譜編制歸納方法。并將處理結果用于實際工程試驗，表明該方法正確合理。南京航空航天大學振動工程研究所的李奇志等[5]結合參數的無偏估計理論，推導出給定概率下基于統(tǒng)計的與置信度無關的隨機實測上限歸納方法，同時運用這一方法對國內某運輸機機載雷達安裝平臺測量的數據進行處理，得到振動環(huán)境下實測歸納曲線。

鑒于水下裝備種類眾多，任務復雜多樣，相對于其他軍用裝備缺乏相關標準描述水下裝備在執(zhí)行各任務時的環(huán)境條件和時序，環(huán)境數據量較少，數據零散，造成環(huán)境可靠性設計、分析、試驗和評價工作缺少基礎性的數據支撐。因此迫切需要進行環(huán)境實測技術研究，開展典型產品的環(huán)境數據實測工作，積累環(huán)境基礎資源數據，并應用于型號工程研制，促進裝備環(huán)境適應性水平提高。

本文介紹了水下裝備環(huán)境數據采集方法、設備、原理和環(huán)境數據處理方法，同時選取某典型產品開展了環(huán)境實測工作，給出了其實測結果，為裝備研制階段環(huán)境設計和后期考核條件確定提供了真實有效的數據支撐。

1 環(huán)境數據采集方法

環(huán)境數據采集主要包括實測設備準備、制定測試方案、傳感器安裝和測試實施、數據處理等步驟，如圖1 所示。

圖1 環(huán)境數據采集

a）實測設備準備

水下裝備環(huán)境數據采集需要專業(yè)的測量設備，以保證長時間準確采集所需信息，選購設備時要考慮數據采集時長、精度要求、數據儲存量、安裝要求和使用環(huán)境要求等。嵌入式數據采集與分析系統(tǒng)進行數據采集和分析，溫度采集選用熱電偶，振動和沖擊數據采集選用三軸向加速度傳感器。選購的設備需及時計量，以保障測量數據的準確性。同時，需要進行設備調試和編寫測試程序，以適應特定的數據采集任務需求。

b）制定測試方案

首先，要明確測試原理，以利于后續(xù)數據處理和及時解決測試中出現的各種問題。其次，水下裝備環(huán)境數據采集工作可以與水下裝備的貯存試驗、運輸試驗和外場試驗等結合開展，根據數據采集類型需求選擇恰當的測試時機。再次，可根據水下裝備環(huán)境數據采集的任務需求和傳感器安裝的可行性，選取特定的測試點。最后，根據水下裝備環(huán)境數據采集測試指標要求確定測試項目并編寫測試大綱。

c）傳感器安裝及測試實施

為收集水下裝備關鍵部位的環(huán)境條件情況，需要在水下裝備各個關鍵部位安裝相應的測試傳感器，同時，要考慮測試傳感器安裝在不同位置的振動響應情況，選取能代表典型振動特征的點或產品關重件與結構剛性連接點安裝傳感器。此外，安裝過程中還要注意設備的絕緣防護和防水措施。在測試實施過程中，要通過測試計算機定時監(jiān)測測試數據，避免測試設備被干擾出現異常數據，以及測試線路異常斷開等情況。

d）數據處理

實測設備采集的數據存在噪聲、采集時機不典型和采集時水下裝備工況不夠嚴酷等情況導致實測數據不能直接被利用。需要選取有效實測數據進行進一步處理成可用的數據。通常實測振動、沖擊等數據的處理包括信號的預處理、信號檢驗和數據分析3 個階段。首先，進行預處理，以剔除奇異點和消除趨勢項；然后，進行數據檢驗；最后，通過數字分析（如快速傅里葉變換）得到頻域數據[6-8]。根據測試結果，對各測量點溫度及沖擊振動各方向的數據進行分析，比較各測量點相同方向的分析結果，同時比較使用狀態(tài)、測點位置對測試結果的影響。為保證分析結果的有效性，根據所采用的數據分析方法在算法、硬件、抗混疊濾波、泄露與加窗處理、頻率分辨率、誤差預估和適用范圍等的特點和測量要求，推薦合理的分析參數設置。

2 環(huán)境數據采集設備及測試原理

環(huán)境數據采集設備一般包括測量傳感器、嵌入式數據采集與記錄系統(tǒng)和外部電源，其中測量傳感器主要包括熱電偶、三軸向加速度傳感器；嵌入式數據采集與記錄系統(tǒng)主要包括實時控制器、熱電偶輸入模塊和動態(tài)信號采集模塊等。

環(huán)境數據測試的原理為：測量傳感器將被測物理量轉換為相應的電信號，以便后續(xù)處理。熱電偶用于測量溫度和三軸向加速度傳感器用于測量振動和沖擊。嵌入式數據采集與記錄系統(tǒng)由前端傳感器，通過多通道采集轉換器接口，經過轉接設備（包括電纜、適配器等）連接采集卡，采集信號采樣后，經控制器在虛擬軟件平臺中搭建分析儀和模擬器運算，將采集到的前端信號進行處理，完成對測試對象的振動加速度等物理參數的測試、記錄和處理。測試計算機安裝嵌入式控制與監(jiān)測套件，完成實測數據的處理與分析。外部電源對嵌入式數據采集與記錄系統(tǒng)進行供電。測試原理圖如圖2 所示。

圖2 測試原理圖

3 環(huán)境數據處理方法

實測沖擊和振動數據的處理包括信號的預處理、信號檢驗和數據分析3 個階段。首先，進行預處理，對所測數據的有效性進行確認，辨識數據類型，檢查數據中的異常（如信號削波、間歇噪聲、虛假趨勢、異常點和信號丟失等），按數據剔除準則和數據中的異常點和暫時丟失的修正方法對數據進行編輯，以剔除奇異點和消除趨勢項；然后，進行數據檢驗；最后，通過數字分析（如快速傅里葉變換）得到頻域數據。

振動數據處理的方法如圖3 所示。

圖3 振動數據處理方法

其中，統(tǒng)計法（90/99）代表的是置信度為90%下以概率99%取值得到的振動環(huán)境條件隨機振動實測譜，用于環(huán)境試驗振動條件；統(tǒng)計法（50/95）代表的是置信度為50%下以概率95%取值得到的振動環(huán)境條件隨機振動實測譜，用于可靠性振動試驗條件。

沖擊數據處理的方法如圖4 所示。

圖4 沖擊數據處理方法

可根據相關標準將沖擊時域數據處理為沖擊響應譜（SRS）用于環(huán)境試驗沖擊條件。

4 應用案例

選取某典型產品開展了環(huán)境實測工作，首先根據該產品的壽命剖面，確定了壽命期內各任務階段（如貯存、運輸和使用等）和環(huán)境影響因素，在此基礎上明確了測試對象、測試內容、測試參數和測試時產品的使用狀態(tài)等，選取了合適的測量點，實測了該產品貯存、運輸和使用等任務階段的溫度、沖擊和振動數據，并進行了數據處理（部分數據如圖5～7 所示），得到了產品環(huán)境應力載荷譜，為確定產品的環(huán)境適應性要求、制定環(huán)境防護設計準則、規(guī)范環(huán)境可靠性試驗條件和探索有效的試驗方法提供了依據。

圖5 某溫度實測數據

圖6 某振動實測數據

圖7 某沖擊實測數據

5 結束語

本文針對水下裝備環(huán)境數據匱乏，專業(yè)標準規(guī)范少導致的裝備論證、研制、設計和考核過程中缺乏基礎數據支撐的情況，對水下裝備實測技術進行了探討，給出了環(huán)境數據采集方法、環(huán)境數據采集設備及原理、環(huán)境數據處理方法，詳細說明了水下裝備環(huán)境數據實測的流程。同時給出某型裝備的數據實測結果，支撐其裝備耐環(huán)境設計及試驗條件確定，積累了水下裝備環(huán)境實測的經驗。