基于虛擬儀器技術(shù)的長(zhǎng)基線系統(tǒng)目標(biāo)模擬器?

郭燕子 李國(guó)良 劉明波

（91388部隊(duì)46分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

長(zhǎng)基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)［1～2］海上作業(yè)區(qū)域大、潛標(biāo)數(shù)目多、操作復(fù)雜，為確保海上試驗(yàn)的成功，系統(tǒng)工作狀態(tài)的檢驗(yàn)是必要的，這也是長(zhǎng)基線系統(tǒng)模擬器的主要任務(wù)，同時(shí)也是日常設(shè)備保養(yǎng)和定期檢查必不可少的設(shè)備。絕大多數(shù)傳統(tǒng)模擬器采用微型計(jì)算機(jī)+數(shù)字信號(hào)處理器件（DSP）＋數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）的方式。為滿足某試驗(yàn)任務(wù)對(duì)測(cè)控區(qū)域的要求，我們對(duì)長(zhǎng)基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)軟件及陣型進(jìn)行了改造，原有的水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)模擬器不能滿足對(duì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的要求，但是鑒于傳統(tǒng)目標(biāo)模擬器加工工藝復(fù)雜、開(kāi)發(fā)成本高、周期長(zhǎng)、升級(jí)改造困難等特點(diǎn)，本文提出應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，用Visual C++和LabVIEW及少量硬件開(kāi)發(fā)目標(biāo)模擬器。虛擬儀器（Virtual Instrument）即VI，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是以通用計(jì)算機(jī)為核心，根據(jù)用戶對(duì)儀器的設(shè)計(jì)定義，用軟件實(shí)現(xiàn)虛擬控制面板設(shè)計(jì)和測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［3～4］。這樣本目標(biāo)模擬器省去了電路設(shè)計(jì)、焊接等環(huán)節(jié)，利用NI現(xiàn)有的模塊完成輸入、輸出，大大縮短了開(kāi)發(fā)成本及周期。

2 目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)原理

2.1 水聲導(dǎo)航系統(tǒng)的原理

水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)是水下目標(biāo)試驗(yàn)鑒定必須的測(cè)量設(shè)備，其任務(wù)是為水下目標(biāo)提供精確導(dǎo)航定位，解決其水下不同工況條件下的航行機(jī)動(dòng)性能參數(shù)測(cè)量問(wèn)題，保障水下目標(biāo)在水下試驗(yàn)中能安全、可靠、協(xié)同地機(jī)動(dòng)，是水下試驗(yàn)重要的基礎(chǔ)測(cè)控設(shè)備［5～6］。工作原理如圖1所示，在海底或海面布設(shè)水聲測(cè)量陣元，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)聲源主動(dòng)或被動(dòng)應(yīng)答發(fā)出的聲信號(hào)傳播到各個(gè)接收陣元的時(shí)延（對(duì)同步系統(tǒng)）或時(shí)延差（對(duì)異步系統(tǒng)），采用球面交匯（對(duì)同步系統(tǒng)）或雙曲面交匯（對(duì)異步系統(tǒng)）來(lái)確定目標(biāo)在發(fā)射信號(hào)時(shí)刻的水平位置［7］。

2.2 水聲導(dǎo)航系統(tǒng)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)

長(zhǎng)基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)目標(biāo)模擬器（以下簡(jiǎn)稱模擬器）的主要任務(wù)是模擬目標(biāo)聲源主動(dòng)或被動(dòng)應(yīng)答發(fā)出的聲信號(hào)傳播到各個(gè)接收陣元的時(shí)延（對(duì)同步系統(tǒng)）或時(shí)延差（對(duì)異步系統(tǒng)）。近年，隨著水下試驗(yàn)任務(wù)的不斷推進(jìn)，試驗(yàn)海區(qū)不斷擴(kuò)大，為了能保證水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精確性，我們采取了帶有中繼潛標(biāo)的海底應(yīng)答器基陣，相應(yīng)的對(duì)浮標(biāo)、軟件等進(jìn)行了修改，本模擬器主要用于對(duì)整個(gè)修改后的系統(tǒng)綜合狀態(tài)進(jìn)行檢查。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試要求，通過(guò)VC完成各種控制參數(shù)設(shè)置，根據(jù)給定參數(shù)產(chǎn)生模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，再根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)速度和同步周期對(duì)軌跡采樣，解算目標(biāo)在各軌跡點(diǎn)發(fā)出的詢問(wèn)信號(hào)及應(yīng)答器應(yīng)答信號(hào)到達(dá)各浮標(biāo)的時(shí)延，或應(yīng)答信號(hào)到達(dá)目標(biāo)當(dāng)前位置時(shí)延，并記錄對(duì)應(yīng)應(yīng)答器編號(hào)，最終以文本文件保存。利用LabVIEW軟件讀取文件并產(chǎn)生浮標(biāo)收到的目標(biāo)詢問(wèn)及應(yīng)答器應(yīng)答的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)串口將信號(hào)數(shù)據(jù)傳送至NI PXI-4461數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊，輸出模擬電信號(hào)，最終通過(guò)連接換能器發(fā)出模擬 聲 信 號(hào)［8］。結(jié)構(gòu)如圖2。

3 目標(biāo)模擬器硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)虛擬儀器的特點(diǎn)，本目標(biāo)模擬器只要求少量的硬件支持，其構(gòu)架包括計(jì)算機(jī)、D/A輸出、高精度數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊PXI-4461和換能器，如圖3所示。計(jì)算機(jī)用于參數(shù)的設(shè)置、信號(hào)的生成及輸出。NI PXI-4461是一款專為高通道數(shù)的聲音振動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高精度數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊，具有2路同步采樣模擬輸入通道和2路同步更新模擬輸出通道。換能器完成由電信號(hào)到聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換，達(dá)到在實(shí)驗(yàn)室對(duì)聲信號(hào)檢測(cè)的目的。

4 目標(biāo)模擬器軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 Visual C++生成時(shí)延數(shù)據(jù)

本程序已對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行初始化，包括工作參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)、陣元參數(shù)、浮標(biāo)等，同時(shí)也可通過(guò)對(duì)話框?qū)Ω鲄?shù)進(jìn)行修改，界面如圖4。假設(shè)水下目標(biāo)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在測(cè)控區(qū)布放15個(gè)海底應(yīng)答器，陣型及應(yīng)答器編號(hào)如圖5所示，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)速度和同步周期對(duì)軌跡采樣，解算目標(biāo)在各軌跡點(diǎn)發(fā)出的詢問(wèn)信號(hào)及應(yīng)答器應(yīng)答信號(hào)到達(dá)各浮標(biāo)的時(shí)延，或應(yīng)答信號(hào)到達(dá)目標(biāo)當(dāng)前位置時(shí)延，給出時(shí)延值。鑒于無(wú)線浮標(biāo)傳送距離的限制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)布放2個(gè)浮標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)在左半?yún)^(qū)域活動(dòng)時(shí)，由浮標(biāo)1接收左半部分靠近目標(biāo)六個(gè)應(yīng)答器（1，2，3，6，7，8或6，7，8，11，12，13）的信號(hào)；當(dāng)目標(biāo)在右半?yún)^(qū)域活動(dòng)時(shí)，由浮標(biāo)2接收右半部分靠近目標(biāo)六個(gè)應(yīng)答器（3，4，5，8，9，10或 8，9，10，13，14，15）的信號(hào)；并且較遠(yuǎn)一排應(yīng)答器的信號(hào)由中間一排應(yīng)答器中繼給浮標(biāo)，即t時(shí)刻目標(biāo)位置如圖，浮標(biāo)1收到時(shí)延值為目標(biāo)到12號(hào)應(yīng)答器的時(shí)延t1，及應(yīng)答器12到應(yīng)答器7的時(shí)延t2和應(yīng)答器7到應(yīng)答器2的時(shí)延t3。最終程序要求得出目標(biāo)到應(yīng)答器的時(shí)延，并進(jìn)行排序及對(duì)應(yīng)應(yīng)答器編號(hào)，如表1、表2。

為驗(yàn)證距離模糊，假設(shè)目標(biāo)在基陣下半部分運(yùn)動(dòng)時(shí)延最下排應(yīng)答器作直線活動(dòng)，由此產(chǎn)生最大時(shí)延值，如表1為目標(biāo)和各應(yīng)答器生成的時(shí)延及對(duì)應(yīng)應(yīng)答器的編號(hào)，表中可看到在第一個(gè)詢問(wèn)周期，目標(biāo)和8號(hào)應(yīng)答器生成的時(shí)延產(chǎn)生了距離模糊，故將進(jìn)入下一個(gè)周期進(jìn)行定位解算。同理，假設(shè)目標(biāo)在基陣上半部分運(yùn)動(dòng)時(shí)，模擬目標(biāo)延中間一排應(yīng)答器作直線活動(dòng)，表2為目標(biāo)和各應(yīng)答器生成的時(shí)延，可看到編號(hào)為8、13、14、15的應(yīng)答器的時(shí)延均產(chǎn)生了距離模糊，都將進(jìn)入下一個(gè)周期進(jìn)行定位解算。這種臨界狀態(tài)的選擇使本目標(biāo)模擬器能夠模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的各種情況。

表1 無(wú)中繼的時(shí)延數(shù)據(jù)

表2 帶中繼的時(shí)延數(shù)據(jù)

4.2 LabVIEW生成模擬信號(hào)

LabVIEW完成目標(biāo)模擬器的主界面設(shè)計(jì)及生成模擬信號(hào)。主界面界面包括參數(shù)輸入、應(yīng)答信號(hào)輸出、電壓控制等。通過(guò)主界面能夠輸入各種諸如時(shí)延數(shù)據(jù)文件路徑、開(kāi)始周期、結(jié)束周期等參數(shù)，在圖形顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示根據(jù)時(shí)延數(shù)據(jù)和應(yīng)答器的編號(hào)產(chǎn)生模擬信號(hào)，如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

圖7為預(yù)設(shè)的目標(biāo)延編號(hào)為10，9，8，7應(yīng)答器上方直線運(yùn)動(dòng)的軌跡，圖8為長(zhǎng)基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)軟件通過(guò)接收本目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的應(yīng)答器聲信號(hào)解算出的目標(biāo)軌跡，通過(guò)比較可知，本目標(biāo)模擬器可仿真水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)答聲信號(hào)，能夠在實(shí)驗(yàn)室仿真試驗(yàn)保障的測(cè)試過(guò)程，對(duì)整個(gè)水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，基本滿足設(shè)計(jì)要求，并已完成長(zhǎng)基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)保障。

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