基于虛擬儀器的艦船水下綜合物理場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳 亮 徐志強(qiáng)

(1.海軍駐大連地區(qū)軍代表室 大連 116021)(2.中國(guó)人民解放軍第四八一〇工廠 大連 116041)

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基于虛擬儀器的艦船水下綜合物理場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳 亮1徐志強(qiáng)2

(1.海軍駐大連地區(qū)軍代表室 大連 116021)(2.中國(guó)人民解放軍第四八一〇工廠 大連 116041)

艦船的綜合隱身設(shè)計(jì)是目前海軍裝備發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì),論文通過對(duì)系統(tǒng)的功能分析,對(duì)艦船水下綜合物理場(chǎng)的實(shí)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),基于虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的研制,基于LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)了測(cè)控軟件的開發(fā),系統(tǒng)經(jīng)過海上實(shí)測(cè),各功能滿足設(shè)計(jì)要求,并進(jìn)行了實(shí)船測(cè)試,為艦船水下綜合物理場(chǎng)的特性分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

艦船水下綜合物理場(chǎng); 虛擬儀器技術(shù); 實(shí)船測(cè)試

Class Number E835

1 引言

隨著艦船聲隱身技術(shù)的發(fā)展,使得艦船噪聲特征明顯減弱或發(fā)生顯著變化,單純利用水聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別難度大為增加。由于電磁場(chǎng)是艦船本身的固有特征,電磁探測(cè)手段具有分類能力好、定位精度高、執(zhí)行時(shí)間短、不受淺海復(fù)雜環(huán)境影響等特點(diǎn),目前美國(guó)已開始大力發(fā)展的水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng),將水下電磁場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)作為其重要的感知部件,并在2000年已經(jīng)把低頻電磁場(chǎng)作為航空探潛的研究重點(diǎn)[1]。因此,電磁場(chǎng)成為了除水聲技術(shù)外發(fā)展武器裝備所需要關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn),在水中兵器對(duì)抗中成為水聲對(duì)抗的一個(gè)有力補(bǔ)充。各國(guó)在發(fā)展單一水聲對(duì)抗裝備的同時(shí),也在進(jìn)行聲、磁、電等多物理場(chǎng)的綜合特性的獲取與分析研究,目前,組合引信水雷、魚雷等多種武器裝備也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,成為艦船生存的重大威脅[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1) 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)主要針對(duì)艦船的水下綜合物理場(chǎng),獲取聲、磁、電等物理場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)的時(shí)候,需要綜合考慮各物理場(chǎng)的特性。

各物理場(chǎng)的特性不同,其測(cè)量方法、測(cè)試手段各異,在進(jìn)行綜合物理場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)其多物理場(chǎng)測(cè)試的系統(tǒng)兼容性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了更好地獲取艦船綜合物理場(chǎng)的空間分布特性,系統(tǒng)擬采用多節(jié)點(diǎn)沉底式的測(cè)量方式,以便在更大的寬度范圍內(nèi)獲取到有效的數(shù)據(jù)信息。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2) 在滿足系統(tǒng)各功能指標(biāo)的前提下,系統(tǒng)設(shè)計(jì)還要遵循以下原則:

· 智能化:靈活多樣的測(cè)量方式;

· 小型化:方便海上實(shí)測(cè)、布放的需要;

· 系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性:系統(tǒng)要求長(zhǎng)期、穩(wěn)定的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

結(jié)合以上設(shè)計(jì)原則,本文采用NI的虛擬儀器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),在虛擬儀器中,將信號(hào)的采集與系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的分析與處理、結(jié)果的顯示與輸出功能模塊部分或全部由計(jì)算機(jī)來完成?？梢杂霉δ軓?qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件來代替某些傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器,從而大大減少了設(shè)備量和成本,與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比更是具有高性價(jià)比、簡(jiǎn)潔、方便、靈活等特點(diǎn)[3～4]。

同時(shí),系統(tǒng)采用有纜方式進(jìn)行設(shè)計(jì),這樣可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行信號(hào)的觀測(cè)、存儲(chǔ)與處理,并對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。由于實(shí)驗(yàn)海域距離觀測(cè)站距離較遠(yuǎn),傳統(tǒng)的電纜傳輸,遇到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i,采用光纜傳輸,可以有效解決此問題[5～6]。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成包括水下電子艙、岸站測(cè)控終端、數(shù)據(jù)傳輸模塊等三部分組成。

1) 水下電子艙

水下電子艙集成有傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、采集器、環(huán)境測(cè)量傳感器等幾部分。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

電場(chǎng)傳感器、磁場(chǎng)傳感器采用三分量測(cè)量方式,通過信號(hào)調(diào)理,將電磁場(chǎng)信號(hào)分為多個(gè)頻段進(jìn)行采集。采集器分別對(duì)電磁場(chǎng)的直流、交流信號(hào)進(jìn)行采集,再通過網(wǎng)絡(luò)將原始信號(hào)輸出,利用溫度傳感器、深度傳感器和姿態(tài)傳感器,對(duì)系統(tǒng)布放的環(huán)境參數(shù)及姿態(tài)信息進(jìn)行測(cè)量,將溫度、深度、姿態(tài)的原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)輸出。

圖2 電子艙組成結(jié)構(gòu)圖

采集器是觀測(cè)系統(tǒng)的核心部件,系統(tǒng)采用NI Compact RIO模塊,主要由控制器、機(jī)箱、采集板卡組成。

(1)控制器:采用NI 9014控制器;

(2)采集卡:采用NI 9234,具體指標(biāo)如下:

· 每通道最高51.2kS/s采樣速率;交流耦合(0.5Hz)

· 24位分辨率;102dB動(dòng)態(tài)范圍;防混疊濾波器

· 4路同步采樣模擬輸入,±5V輸入范圍

· 兼容智能TEDS傳感器

2) 岸站測(cè)控終端

岸站測(cè)控終端,包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)供電電源。計(jì)算機(jī)運(yùn)行基于LabVIEW編寫的上位機(jī)程序,對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè),并實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放等功能。

3) 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由光電復(fù)合纜、光電轉(zhuǎn)換模塊組成。在水下電子艙內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換模塊,將網(wǎng)絡(luò)的電信號(hào),轉(zhuǎn)換為光信號(hào),通過光電復(fù)合纜,傳輸回岸站測(cè)控終端,再由終端的光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)電信號(hào),通過網(wǎng)線送入計(jì)算機(jī)內(nèi),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)的供電,通過光電復(fù)合纜的電纜進(jìn)行傳輸。

4) 同步功能設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)的同步采集功能能夠滿足數(shù)據(jù)處理的要求,為進(jìn)行艦船空間分布特性的分析提供有效的數(shù)據(jù),需要對(duì)系統(tǒng)的同步功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的前端采集節(jié)點(diǎn)與岸站控制終端之間距離較遠(yuǎn),電信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸衰減較大,無(wú)法通過電纜進(jìn)行同步信號(hào)的傳輸,因此,通過光電轉(zhuǎn)換,將測(cè)控終端的同步信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換后變成光信號(hào)再通過光纜傳輸,在前端采集電子艙內(nèi),再轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并經(jīng)過各節(jié)點(diǎn)采集器內(nèi)的FPGA模塊,將同步信號(hào)進(jìn)行鎖相、分頻,將同步信號(hào)分頻為系統(tǒng)采樣率,將采集信號(hào)以此分頻后的采樣率為采樣頻率進(jìn)行重采樣,得到原始信號(hào)[7]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,系統(tǒng)軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)應(yīng)用基于NI的LabVIEW。采用模塊化設(shè)計(jì),利于軟件的更新、功能擴(kuò)展等。軟件主要完成的功能包括:

1) 數(shù)據(jù)采集功能,包括電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、深度數(shù)據(jù)的采集等。

2) 系統(tǒng)控制,包括系統(tǒng)采集控制,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制,采樣率設(shè)置等。

3) 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控,包括系統(tǒng)的姿態(tài)信息、通訊狀態(tài)等。

程序設(shè)計(jì)的架構(gòu),基于NI硬件完成,主要包括FPGA內(nèi)的驅(qū)動(dòng)程序、控制器內(nèi)的下位機(jī)程序及岸站測(cè)控終端計(jì)算機(jī)的上位機(jī)程序等三部分,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的采集與控制功能,如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)功能模塊示意圖

系統(tǒng)FPGA內(nèi)的硬件驅(qū)動(dòng)模塊,驅(qū)動(dòng)NI9234采集卡,通過下位機(jī)內(nèi)的采集模塊,進(jìn)行系統(tǒng)的采集工作。

系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí),下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模塊開始自動(dòng)運(yùn)行,等待上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)模塊的握手動(dòng)作,當(dāng)上位機(jī)軟件運(yùn)行并與下位機(jī)握手之后,網(wǎng)絡(luò)建立,利用網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)的控制命令與采集信號(hào)、監(jiān)控信息等數(shù)據(jù)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立后,下位機(jī)采集模塊通過接收上位機(jī)的控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工作。

· 控制模塊,實(shí)時(shí)發(fā)送系統(tǒng)的控制命令,控制命令包括采集的開始、停止,系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài),下位機(jī)重啟,數(shù)據(jù)存儲(chǔ),程序退出等。

· 數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊,當(dāng)控制模塊設(shè)置系統(tǒng)為采集狀態(tài)時(shí),下位機(jī)開始采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)模塊通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊實(shí)時(shí)接收到下位機(jī)采集的數(shù)據(jù),進(jìn)行顯示,通過存儲(chǔ)控制開關(guān),選擇對(duì)環(huán)境信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或者記錄的工作狀態(tài)。

· 狀態(tài)監(jiān)控模塊,在控制模塊設(shè)置系統(tǒng)為監(jiān)控狀態(tài)時(shí),狀態(tài)監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)獲取下位機(jī)的姿態(tài)、水深等信息,并進(jìn)行顯示[8～10]。

具體程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

5 海上驗(yàn)證試驗(yàn)

在完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制后,利用試驗(yàn)船對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了海上的功能性驗(yàn)證,得到了較好的艦船水下綜合物理場(chǎng)特征的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)船目標(biāo)綜合物理場(chǎng)特征實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

通過基于虛擬儀器測(cè)試技術(shù)進(jìn)行的艦船水下綜合物理場(chǎng)的設(shè)計(jì),成功研制了系統(tǒng)樣機(jī),并通過海上驗(yàn)證試驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證,系統(tǒng)功能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,并進(jìn)行了實(shí)船目標(biāo)的數(shù)據(jù)獲取工作,為進(jìn)一步的艦船水下綜合物理場(chǎng)分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Test System Design of Ship Underwater Multi-physical Field on Virtual Instrument

WU Liang1XU Zhiqiang2

(1. Navy Representative Office in Dalian Region, Dalian 116021) (2. No. 810 Factory of PLA, Dalian 116041)

Comprehensive stealth ship design is a current trend of development of naval equipment. The paper analyzes the functions of the system. The measured system of integrated physical fields underwater ship is designed to achieve a developed system based on virtual instrument technology. Based on labview software implementation of the monitoring and control software development, system has been measured at sea, to meet the functional requirements of vessel provides a comprehensive data base analysis for the characteristics of the ship underwater physics.

ship multi-physical field test system, virtual instrument, ship test

2014年11月17日,

2014年12月20日

吳亮,男,工程師,研究方向:艦船監(jiān)造、電子工程。徐志強(qiáng),男,工程師,研究方向:自動(dòng)化和信息處理。

E835

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.034