聲相關(guān)計(jì)程儀檢測技術(shù)

李文濤，邱薇，趙二亮，王長紅

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聲相關(guān)計(jì)程儀檢測技術(shù)

李文濤1,2，邱薇1，趙二亮1，王長紅1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100190)

聲相關(guān)計(jì)程儀(Acoustic Correlation Log, ACL)檢測技術(shù)用于對ACL在陸上進(jìn)行功能檢測。闡述了檢測技術(shù)原理、檢測方案以及檢測平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用聲吶陣對接檢測的方案，可以連續(xù)對ACL完成一系列的檢測。為了對70 kHz ACL進(jìn)行功能檢測，使用快速多通道并行的A/D、D/A模塊，基于運(yùn)行在PXI控制器的WINDOWS平臺，開發(fā)了微軟基礎(chǔ)類庫(Microsoft Foundation Classes, MFC)框架下的檢測軟件，搭建了完整有效的可視化檢測平臺。該檢測平臺可以完成對70 kHz ACL的在載體功能檢測，包括發(fā)射通道檢測、接收通道檢測以及串口輸出檢測等主要功能檢測。檢測平臺使用便捷，性能穩(wěn)健。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試證明，檢測方案具備可行性，檢測平臺具有實(shí)用性。

聲相關(guān)計(jì)程儀；檢測技術(shù)；可視化軟件平臺

0 引言

聲學(xué)測速技術(shù)始于20世紀(jì)70年代[1,2]，相應(yīng)的設(shè)備被稱為“測速聲吶”。從原理上分，測速聲吶包括多普勒測速聲吶和相關(guān)測速聲吶。其中多普勒測速技術(shù)是一種成熟的測速技術(shù)，而相關(guān)聲吶測速技術(shù)是一種處于快速發(fā)展中的測速技術(shù)。相關(guān)測速聲吶是利用“波形不變性”原理[3]，通過對回波的理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)和數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化求解來解算載體速度。聲吶陣在使用的過程中，大多需要進(jìn)行功能檢測，以保證其能夠正常工作或者發(fā)現(xiàn)潛在的問題。

目前，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所已完成70 kHz、23 kHz聲相關(guān)流速剖面儀和ACL的研制[4,5]。由于ACL的工作環(huán)境是在水中，其主要功能和技術(shù)指標(biāo)必須在水中測試，如測速精度等指標(biāo)更是需要通過跑船試驗(yàn)進(jìn)行檢測[5]，因此對ACL的檢測，尤其是在載體檢測非常困難。研究ACL檢測技術(shù)主要為了實(shí)現(xiàn)ACL在載體功能的檢測，確保ACL入水使用前功能正常。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所已研發(fā)了多型相關(guān)測速聲吶[3,6-8]，目前正在開展聲相關(guān)計(jì)程儀專用檢測設(shè)備的研制。聲相關(guān)計(jì)程儀檢測設(shè)備可以對ACL的主要功能進(jìn)行在載體檢測，在載體檢測指ACL安裝到載體(如潛器)上時(shí)對其完成檢測，從而為實(shí)際使用ACL帶來極大便利。

1 檢測原理和方案

分體式ACL是指電子分機(jī)和換能器陣在機(jī)械結(jié)構(gòu)上不是一體的，而是由水密電纜相連的電子分機(jī)和換能器陣兩部分組成。對分體式ACL檢測的主要方案有：對換能器陣和電子分機(jī)的分別檢測；整機(jī)對接檢測[9-11]。分別檢測時(shí)，只能檢驗(yàn)電子分機(jī)、換能器陣本身工作是否正常，但不能說明ACL整個(gè)系統(tǒng)工作正常。此外，分別檢測較為繁瑣，尤其是對已安裝在潛器上的ACL進(jìn)行在載體檢測時(shí)，需要將安裝好的換能器陣、電子分機(jī)的連接電纜分開。對接檢測是指，將兩個(gè)換能器陣的陣面按陣元位置對應(yīng)對準(zhǔn)并緊密貼合，然后通過操作電子分機(jī)對ACL進(jìn)行功能檢測。采用對接檢測時(shí)，可以連續(xù)、無需過多人為干預(yù)地對ACL完成一系列的檢測，操作起來簡便快捷，相對更為實(shí)用可行。

檢測設(shè)備換能器陣(以下稱對接陣)與ACL換能器陣均為平面陣，對接陣的陣元分布是ACL的鏡像，對接陣的發(fā)射陣元與ACL換能器陣的接收陣元經(jīng)換能器陣的輻射面各自對接，反之亦然。檢測設(shè)備電子分機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口和串口與ACL的網(wǎng)絡(luò)接口和串口分別連接，以便檢測設(shè)備控制ACL的工作模式和接收ACL輸出的數(shù)據(jù)。

檢測開始前，檢測設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置ACL的工作模式。發(fā)射檢測時(shí)，ACL通過換能器發(fā)射陣輸出預(yù)設(shè)信號，檢測設(shè)備有7個(gè)換能器陣元與ACL發(fā)射陣元對應(yīng)對接，檢測設(shè)備的7個(gè)陣元與7路接收通道對應(yīng)，如果對接陣接收信號的幅度、頻譜、能量等滿足要求，則認(rèn)為ACL發(fā)射通道正常。接收檢測時(shí)，檢測設(shè)備通過對接陣的8個(gè)發(fā)射陣元輸出預(yù)設(shè)信號，通過ACL的網(wǎng)絡(luò)接口接收并分析ACL接收到的8路信號，如果接收信號的幅度、頻譜、能量等均滿足要求，則認(rèn)為ACL接收通道正常。對ACL串口輸出進(jìn)行檢測時(shí)，監(jiān)測串口的輸出數(shù)據(jù)并判斷其是否符合預(yù)定的通信協(xié)議。

2 系統(tǒng)組成

為快速在載體檢測某型分體式70 kHz ACL，研發(fā)了70 kHz ACL檢測設(shè)備。它的主要功能是對ACL的串口、發(fā)射通道(含發(fā)射電路和換能器陣的發(fā)射陣元)、8個(gè)接收通道(含接收電路和換能器陣的接收陣元)進(jìn)行功能檢測，并判定是否出現(xiàn)故障。

70 kHz ACL檢測設(shè)備由電子分機(jī)、對接陣和連接電纜等組成。其中對接陣是電聲轉(zhuǎn)換裝置，采用與ACL類似的結(jié)構(gòu)；電子分機(jī)主要是運(yùn)行在PXI控制器的WINDOWS平臺，集成了快速多通道并行的A/D、D/A模塊；而連接電纜用于連接電子分機(jī)和對接陣。

檢測設(shè)備電子分機(jī)采用控制器與機(jī)箱一體的智能平板軍用機(jī)箱，以減小體積和方便現(xiàn)場操作。在檢測設(shè)備的前面板配置了機(jī)械開關(guān)按鈕，其主要目的是，在平板觸摸屏異常的情況下，仍然可以通過手工操作機(jī)械開關(guān)，對檢測流程進(jìn)行正常的選擇切換，以順利完成功能檢測。

檢測設(shè)備的硬件系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

ACL檢測設(shè)備的電子分機(jī)和換能器陣實(shí)物圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 檢測設(shè)備電子分機(jī)

檢測設(shè)備與ACL采用換能器陣對接的方式實(shí)現(xiàn)對70 kHz ACL的功能檢測。檢測設(shè)備與ACL的檢測組成示意圖如圖4所示。

3 檢測流程及可視化軟件平臺設(shè)計(jì)

檢測設(shè)備的基本工作模式和整體流程如圖5所示。

該檢測軟件在VISUAL C++環(huán)境下開發(fā)，基于MFC搭建了完整有效的可視化檢測平臺，運(yùn)行在PXI控制器的WINDOWS平臺下。MFC是微軟提供的一種C++編寫應(yīng)用程序的框架和引擎，包含了一組通用且可重用的類庫。

該檢測軟件平臺主要有以下功能：①檢測設(shè)備的初始化和自檢；② 單項(xiàng)檢測和整機(jī)總體檢測模式選擇；③ 通過網(wǎng)絡(luò)完成對ACL的工作參數(shù)配置；④ 驅(qū)動對接陣采集ACL發(fā)射的聲波信號并處理；⑤ 驅(qū)動對接陣向ACL發(fā)射模擬回波信號，接收ACL通過網(wǎng)絡(luò)傳輸回來的信號并處理；⑥ 串口檢測；⑦ 輸出、保存檢測結(jié)果。

基于以上的檢測平臺需求，設(shè)計(jì)了具體的檢測控制流程圖。其中，串口檢測的工作流程控制如圖6所示，接收通道、發(fā)射通道檢測的工作流程控制如圖7所示。

最后，整機(jī)檢測的工作流程控制如圖8所示。根據(jù)上述的控制流程圖，實(shí)現(xiàn)了軟件控制程序，設(shè)計(jì)了可視化的操控平臺?；诙嗪说奶幚砥?，在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用多線程編程的方法，并正確高效地處理了多線程間同步的問題。

4 檢測結(jié)果

基于上述的檢測平臺，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試，實(shí)現(xiàn)了對ACL的功能檢測，下面給出檢測結(jié)果。

4.1 發(fā)射檢測結(jié)果

在一次發(fā)射檢測測試中，檢測設(shè)備A/D采樣其中4個(gè)通道的信號采樣結(jié)果如圖9所示，對應(yīng)的幅度譜分析結(jié)果如圖10所示。由圖9可以看出，通道2的信號明顯弱于其它通道，由此可判定通道2異常。

4.2 接收檢測結(jié)果

在一次接收檢測測試中，ACL接收通道A/D采樣信號如圖11所示，對應(yīng)的信號幅度譜分析結(jié)果如圖12所示。由圖11可知，通道1和通道2的信號強(qiáng)度很弱，可判定為通道異常。

4.3 串口檢測結(jié)果

對串口進(jìn)行檢測時(shí)，在程序中創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的串口接收線程，監(jiān)測ACL的串口數(shù)據(jù)，保存ACL的串口輸出并分析其是否符合預(yù)定的通信協(xié)議，據(jù)此判斷出串口的功能狀態(tài)是否良好。

4.4 其它結(jié)果

軟件啟動時(shí)，即進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢測以及檢測設(shè)備自檢。該部分檢測主要目的是檢測有關(guān)設(shè)備的硬件是否工作正常，網(wǎng)絡(luò)檢測用于確保電子分機(jī)對ACL的控制，主要測試本機(jī)IP是否設(shè)置正確以及與ACL的網(wǎng)絡(luò)連接是否正常。檢測設(shè)備自檢用于確保電子分機(jī)對對接陣的控制，主要檢測快速多通道并行A/D以及D/A模塊是否正常。

對于整機(jī)檢測，除軟件的控制流程設(shè)計(jì)不同外，其檢測結(jié)果是上述發(fā)射、接收及串口檢測結(jié)果的總和。此外，檢測的詳細(xì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果及通道正?；虍惓５扰卸ńY(jié)果將實(shí)時(shí)顯示在可視化界面上。

5 結(jié)束語

根據(jù)檢測需求，ACL檢測設(shè)備采用了換能器陣對接檢測的方案?；谶\(yùn)行在PXI控制器的WINDOWS平臺，整合了快速多通道并行的A/D、D/A模塊，設(shè)計(jì)了可行且實(shí)用的可視化檢測平臺。該檢測平臺可以完成對70 kHz ACL的在載體功能檢測，包括發(fā)射通道檢測、接收通道檢測以及串口輸出檢測等主要功能檢測?；诙嗪说奶幚砥?，軟件實(shí)現(xiàn)采用了多線程編程方法并正確高效地處理了多線程間同步的問題，提高了檢測的效率。此外，硬件層面上還設(shè)計(jì)了機(jī)械開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了對檢測流程的手動機(jī)械控制；軟件層面上實(shí)現(xiàn)了不同級別用戶的權(quán)限控制，滿足了設(shè)計(jì)的需求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試證明，檢測方案具備可行性，檢測平臺具有實(shí)用性、易用性，軟件平臺安全可靠，性能穩(wěn)定，使用主控系統(tǒng)界面可便捷地完成對70 kHz ACL的在載體功能檢測。

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Testing techniques of acoustic correlation log

LI Wen-tao1,2, QIU Wei1, ZHAO Er-liang1, WANG Chang-hong1

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Acoustic Correlation Log (ACL) testing techniques are used to test the function of the ACL on land. The principle of testing techniques, the scheme as well as the design and implementation of the test platform are introduced. The scheme adopts face-to-face docking of sonar arrays, and completes a series of function tests on ACL continuously. In order to realize the functional testing of 70 kHz ACL, based on WINDOWS platform which runs under the PXI controller with fast multi-channel parallel A/D and D/A modules, a testing software is developed with MFC (Microsoft Foundation Classes) framework, thus a complete and effective visual testing platform is built. The platform can achieve the functional testing of the70 kHz ACL on carrier, mainly including the tests of transmitting channel, receiving channel, and serial port. Moreover, the platform is convenient and robust. The lab experiments show that, the testing program is feasible and practical.

acoustic correlation log; testing techniques; visual software platform

TB565

A

1000-3630(2015)-04-0362-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.014

2014-07-25;

2014-10-15

李文濤(1989－), 男, 河南人, 碩士, 研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理。

王長紅, E-mail: wangch@mail.ioa.ac.cn