一種可編程同步聲信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

劉百峰

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

在水下目標(biāo)定位過(guò)程中，經(jīng)常使用同步聲信標(biāo)作為合作目標(biāo)信號(hào)源，由于水聲信號(hào)頻段范圍受限，這就要求同步聲信標(biāo)的發(fā)射信號(hào)具備品類(lèi)復(fù)雜多樣、發(fā)射信號(hào)總數(shù)較多等特點(diǎn)?；诖艘螅O(shè)計(jì)了一種可編程同步聲信號(hào)源［1］。

虛擬儀器［1］是應(yīng)用于通用計(jì)算機(jī)上的一種軟件與硬件的組合，以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器（GPIB，RS-232VXI等）為基礎(chǔ)［2］，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的硬件（微處理器，存儲(chǔ)器，顯示器等）和軟件（軟面板，圖形界面數(shù)據(jù)處理，信息交換等）資源，將計(jì)算機(jī)和測(cè)量組件等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，把傳統(tǒng)儀器的專(zhuān)業(yè)化功能軟件化，使之與計(jì)算機(jī)融為一體，構(gòu)成一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)的需要，利用NI PCI-4461采集卡等硬件，使用 LabVIEW2010［2］虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種水聲信號(hào)發(fā)生器［3］，該信號(hào)發(fā)生器能夠?yàn)樗晫W(xué)實(shí)驗(yàn)提供所需的各種信號(hào)源，并可以實(shí)現(xiàn)任意波形的編輯、輸出顯示、波形分析及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2 編程同步聲信號(hào)源硬件設(shè)計(jì)

“可編程同步聲信號(hào)發(fā)射”子系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，包含信號(hào)發(fā)射程序主控PC上位機(jī)、NI USB-4431 D∕A輸出卡、時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備、3kHz～9kHz功率放大器、匹配器、4kHz～8kHz寬帶發(fā)射換能器［4］。

圖1中，PC上位機(jī)運(yùn)行“可編程聲信號(hào)源發(fā)射軟件”根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)射表，生成待發(fā)射定位信號(hào)樣本數(shù)據(jù)，寫(xiě)入NI USB-4431 D∕A輸出卡中緩存區(qū)，并設(shè)置D∕A卡處在外部觸發(fā)模式下；時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備設(shè)置輸出5s周期同步脈沖信號(hào)，送至USB-4431 D∕A卡［5］；D∕A卡在收到觸發(fā)信號(hào)后，將緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)以規(guī)定采樣頻率連續(xù)輸出至3kHz～9kHz功率放大器；信號(hào)經(jīng)功率放大、匹配電路驅(qū)動(dòng)、4kHz～8kHz寬帶發(fā)射換能器，最終完成合作聲信號(hào)發(fā)射。

圖1 可編程同步聲信號(hào)源原理框圖

每次啟動(dòng)“可編程聲源發(fā)射軟件”，可自動(dòng)、逐個(gè)發(fā)射信號(hào)表中72個(gè)聲源信號(hào)，每個(gè)定位信號(hào)前沿均與北京時(shí)間嚴(yán)格對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步［6］。

3 可編程聲信號(hào)源發(fā)射軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

可編程聲源發(fā)射軟件使用NI公司的LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，其應(yīng)完成的主要功能如下。

1）按照發(fā)生樣本表，生成符合要求的合作聲定位信號(hào)［7］；

2）根據(jù)發(fā)射序列表中源級(jí)要求，完成生成信號(hào)的幅度控制；

3）在前次信號(hào)發(fā)射完畢后，下個(gè)同步觸發(fā)信號(hào)抵達(dá)前，將樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至DA輸出卡；

4）設(shè)置DA輸出卡為外部觸發(fā)輸出模式，等待時(shí)統(tǒng)信號(hào)抵達(dá)觸發(fā)發(fā)射；

5）待發(fā)射信號(hào)時(shí)域、頻域顯示功能；

6）發(fā)射序列表格加載、顯示功能；

7）發(fā)射源級(jí)微調(diào)整功能；

8）發(fā)射信號(hào)日志記錄功能。

可編程聲信號(hào)源發(fā)射軟件前面板如圖2所示。

圖2 可編程聲信號(hào)源發(fā)射軟件前面板

該軟件借鑒參考虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)思路，以簡(jiǎn)化海上操作流程。同時(shí)，該軟件提供必要的數(shù)據(jù)、表格、信號(hào)時(shí)域頻域顯示、發(fā)射進(jìn)程顯示、信號(hào)源級(jí)控制等控件。軟件設(shè)計(jì)中增設(shè)了錯(cuò)誤狀態(tài)監(jiān)測(cè)等處理等代碼，以盡可能規(guī)避海上作業(yè)時(shí)，由于操作失誤導(dǎo)致系統(tǒng)故障癱瘓等情況的發(fā)生。

可編程聲源發(fā)射軟件使用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供的“G語(yǔ)言”完成軟件編碼［8］。圖3為本系統(tǒng)的“G語(yǔ)言”實(shí)現(xiàn)代碼，圖中顯示，該程序主體由變量初始化、發(fā)射信號(hào)表文件打開(kāi)與日志文件打開(kāi)、發(fā)射信號(hào)表文件校驗(yàn)與信號(hào)樣本生成、等待時(shí)統(tǒng)信號(hào)、信號(hào)循環(huán)加載DA卡緩沖并設(shè)置DA卡模式、資源銷(xiāo)毀文件關(guān)閉合計(jì)6個(gè)順序結(jié)構(gòu)［9］。其中，發(fā)射信號(hào)表文件打開(kāi)、發(fā)射信號(hào)表文件校驗(yàn)與信號(hào)樣本生成兩個(gè)順序接口代碼如圖4。

圖3 發(fā)射軟件圖形代碼總覽

圖4 發(fā)射信號(hào)表生成代碼

發(fā)射信號(hào)表文件保存了幾類(lèi)信息：1）發(fā)射信號(hào)種類(lèi)，CW、LFM、PN碼序列；2）發(fā)射信號(hào)的詳細(xì)參數(shù)，如CW脈沖寬度，載波頻率、PN碼信號(hào)階數(shù)、調(diào)制碼率等；3）每個(gè)發(fā)送信號(hào)源級(jí)信息［10］；4）每個(gè)信號(hào)的發(fā)送次數(shù)。

若程序首次運(yùn)行，將使用發(fā)射信號(hào)表，使用對(duì)應(yīng)信號(hào)生成子函數(shù)，依次生成信號(hào)樣本文件，并以“.wav”格式保存至程序子目錄下。若根目錄下存在樣本文件，就按照發(fā)射信號(hào)表校驗(yàn)所有“.wav”樣本文件。若發(fā)生錯(cuò)誤，則程序退出。若無(wú)錯(cuò)誤，就在程序前面板，顯示信號(hào)樣本表，以便操作員查閱。

順序結(jié)構(gòu)“信號(hào)循環(huán)加載DA卡緩沖并設(shè)置DA卡模式”是本聲信號(hào)源的主要工作結(jié)構(gòu)體。圖5（a）、（b）為該結(jié)構(gòu)中最核心的兩個(gè)子順序結(jié)構(gòu)。

圖5 信號(hào)循環(huán)加載DA卡緩沖并設(shè)置DA卡模式代碼

圖5（a）的工作為按照發(fā)射信號(hào)表，在對(duì)應(yīng)控件中顯示下次待發(fā)信號(hào)種類(lèi)、參數(shù)與源級(jí)信息，更新發(fā)射進(jìn)程顯示控件，方便操作員獲取發(fā)射狀態(tài)。

圖5（b）的工作：1）讀取下一個(gè)要發(fā)射的樣本數(shù)據(jù)文件，經(jīng)源級(jí)幅度修正后，刷新顯示至發(fā)射信號(hào)時(shí)域、頻域顯示控件。2）調(diào)用“觸發(fā)輸出數(shù)據(jù).vi”子函數(shù)，設(shè)置DA卡采樣頻率、設(shè)置DA卡工作模式為“觸發(fā)輸出”，將經(jīng)幅度修正后的待發(fā)信號(hào)送至DA輸出卡緩沖區(qū)，而后阻塞運(yùn)行，等待觸發(fā)。觸發(fā)并輸出信號(hào)后，若還有信號(hào)待發(fā)，則循環(huán)至圖5（a）中程序，否則進(jìn)入“資源銷(xiāo)毀”順序結(jié)構(gòu)，等待程序退出。

4 海上試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果

某工程船裝載“可編程聲信號(hào)源發(fā)射系統(tǒng)”，發(fā)射換能器吊放至水下45m，模擬待定位目標(biāo)上應(yīng)裝載的合作同步信標(biāo)；某試驗(yàn)船某型聲納對(duì)“可編程聲信號(hào)源發(fā)射系統(tǒng)”進(jìn)行定位，某試驗(yàn)艦按照預(yù)定航路分別在O1至O4點(diǎn)停車(chē)，對(duì)P點(diǎn)聲源目標(biāo)完成聲納波束跟蹤［11］。

圖6 計(jì)劃實(shí)施圖

使用O1至O4點(diǎn)位發(fā)射的偽隨機(jī)序列編碼定位信號(hào)（發(fā)送編號(hào)：25～72，各點(diǎn)位合計(jì)48個(gè)），完成目標(biāo)定位解算，最終給出的定位誤差分布圖，見(jiàn)圖7。圖中使用定位誤差中位數(shù)畫(huà)出圓概率誤差曲線(xiàn)（圖中虛線(xiàn)圓），各點(diǎn)位圓概率誤差分別為斜距約5km時(shí)，為170.5m；斜距約3km時(shí)，為109.7m；斜距約2.4km時(shí)，為77.7m；斜距約3.7km時(shí)，為129.4m。綜合定位斜距誤差為3.44%［12］。

圖7 O1至O4點(diǎn)位偽隨機(jī)序列編碼信號(hào)定位誤差分布圖

事后處理中，斜距最遠(yuǎn)處（約5.17km）發(fā)射的偽隨機(jī)序列編碼定位信號(hào)，處理后信噪比相關(guān)峰信噪比約為27.7dB。在不考慮其他因素影響的情況下，以此為依據(jù)，可推算得到本系統(tǒng)方案最大定位距離約為17.7km（相關(guān)峰檢出門(mén)限設(shè)置為17dB時(shí)）［13］。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)海上使用，證明其操作簡(jiǎn)單，信號(hào)生成、發(fā)射方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用在各種海上施工作業(yè)場(chǎng)景中。目前，通過(guò)選用不同頻段功放、換能器組件，本設(shè)備已能實(shí)現(xiàn)4kHz～30kHz任意主動(dòng)同步聲信號(hào)發(fā)射任務(wù)。