李 斌 趙 珩

（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)［1］是潛艇試驗(yàn)必須的測(cè)量設(shè)備，其任務(wù)是為水下潛艇提供精確導(dǎo)航定位，解決潛艇在水下不同工況條件下的航行機(jī)動(dòng)性能參數(shù)測(cè)量問題。該系統(tǒng)可以在潛艇及有關(guān)的武器系統(tǒng)試驗(yàn)中，實(shí)時(shí)地為潛艇導(dǎo)航定位，保障潛艇在水下試驗(yàn)中能安全、可靠、協(xié)同地機(jī)動(dòng)，是靶場(chǎng)重要的基礎(chǔ)測(cè)控設(shè)備。應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)是預(yù)先在海底布設(shè)應(yīng)答器基陣，試驗(yàn)前測(cè)陣校準(zhǔn)各陣元位置。水下潛艇上裝有水聲收發(fā)機(jī)，在同步信號(hào)的觸發(fā)下周期性地發(fā)射詢問聲信號(hào)，水下各應(yīng)答器收到詢問聲信號(hào)后應(yīng)答其相應(yīng)頻率的應(yīng)答信號(hào)，水聲收發(fā)機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后，通過同步脈沖前沿測(cè)時(shí)測(cè)得“詢問—應(yīng)答—接收”的雙程聲傳播時(shí)延［2］，即可確定潛艇到各應(yīng)答器之間的距離，通過空間曲面交匯法解算出潛艇的空間坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)潛艇實(shí)時(shí)自導(dǎo)航。為適應(yīng)新的試驗(yàn)任務(wù)，我們對(duì)應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)軟件及陣型進(jìn)行了改造，原有的模擬器只能通過模擬電信號(hào)進(jìn)行調(diào)試，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的水聲調(diào)試，鑒于原有的模擬器升級(jí)改造難度大、代價(jià)高，本文Labview和VC作為軟件開發(fā)平臺(tái)，PXI4461采集卡等作為硬件平臺(tái)，開發(fā)虛擬信號(hào)模擬器，可模擬應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)測(cè)陣、導(dǎo)航與定位監(jiān)測(cè)的應(yīng)答器的應(yīng)答聲信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)室模擬還原整個(gè)研練保障測(cè)量過程。

虛擬儀器［5］VI（virtual instrument）這一概念最早是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）在20世紀(jì)80年代提出來的，它主要由計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件及儀器硬件三部分組成。用戶可以通過修改軟件就能改變其功能。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)給測(cè)量技術(shù)帶來了變革，相對(duì)于傳統(tǒng)儀器的物理面板，虛擬儀器具有一個(gè)十分友好的圖形方式軟面板。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了信息采集、測(cè)試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示輸出和用戶界面等功能，用軟件替代了部分或全部的硬件，因此可以認(rèn)為軟件就是儀器，它是現(xiàn)代測(cè)試儀器系統(tǒng)的核心。

LabVIEW是虛擬儀器開發(fā)過程中最具代表性的圖形化編程語言［6］（G語言），它用圖標(biāo)、連線和框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼，可以形象地觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程。LabVIEW是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，它具有十分強(qiáng)大的功能，如數(shù)值運(yùn)算、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)采集以及圖形獲取和傳輸?shù)取abVIEW程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的，主要由三個(gè)部分組成，即前面板、框圖程序和圖標(biāo)／接線端口。

2 應(yīng)答式水聲定位原理

圖1 應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)定位原理圖

試驗(yàn)前在海底預(yù)先布設(shè)應(yīng)答器基陣，在同步信號(hào)的觸發(fā)下，目標(biāo)潛艇上加裝的水聲收發(fā)機(jī)周期性地發(fā)射測(cè)距詢問聲信號(hào)，水下各應(yīng)答器收到詢問聲信號(hào)后應(yīng)答其相應(yīng)頻率的應(yīng)答信號(hào)，水聲收發(fā)機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后，通過同步脈沖前沿測(cè)時(shí)，測(cè)得“詢問—應(yīng)答—接收”的雙程聲傳播時(shí)延，乘以聲速即可確定目標(biāo)到各應(yīng)答器之間的往返距離，從而得到空間橢球面交匯方程組，求解該方程組得出目標(biāo)所處的位置，逐點(diǎn)定位解算得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，由此為水下目標(biāo)定位導(dǎo)航。

3 應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)模擬器設(shè)計(jì)

利用LabVIEW和VC作為軟件開發(fā)平臺(tái)，PXI-4461作為硬件平臺(tái)，開發(fā)虛擬信號(hào)發(fā)生器，可模擬應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)的絕對(duì)測(cè)陣、導(dǎo)航及定位監(jiān)測(cè)的應(yīng)答器聲信號(hào)，可以在實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)的試驗(yàn)過程進(jìn)行模擬還原，從而實(shí)現(xiàn)接近海試條件下的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)和訓(xùn)練。

3.1 模擬器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模擬器主要由控制計(jì)算機(jī)和PXI-4461采集卡組成，控制計(jì)算機(jī)提供人機(jī)交互界面，設(shè)定應(yīng)答信號(hào)的參數(shù)，信號(hào)發(fā)生器和控制計(jì)算機(jī)通過PXI總線進(jìn)行通信，負(fù)責(zé)將控制計(jì)算機(jī)上LabVIEW軟件生成的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬應(yīng)答信號(hào)，在同步周期為8s的觸發(fā)信號(hào)下每次生成6組應(yīng)答聲信號(hào)，通過發(fā)射換能器將信號(hào)發(fā)送出去。水聲收發(fā)機(jī)通過接收換能器接收模擬應(yīng)答信號(hào)，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)上的長(zhǎng)基線導(dǎo)航軟件根據(jù)接收的數(shù)據(jù)就可以繪出模擬目標(biāo)的軌跡。

圖2 模擬器信號(hào)流程框圖

3.2 模擬器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模擬器的軟件系統(tǒng)是在Windows XP的平臺(tái)上使用VC和LabVIEW 2010開發(fā)完成的，通過PXI總線實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算機(jī)和信號(hào)發(fā)生器之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸。

3.2.1 利用VC軟件進(jìn)行模型設(shè)計(jì)

1）概述

利用VC軟件預(yù)先設(shè)定模擬目標(biāo)的軌跡，本軟件中根據(jù)設(shè)計(jì)需要，模擬布放了10個(gè)應(yīng)答器，模擬目標(biāo)的軌跡如圖3所示。

2）時(shí)延數(shù)據(jù)生成

VC編寫的程序可以修改各應(yīng)答器、浮標(biāo)、目標(biāo)就位點(diǎn)、測(cè)量周期、目標(biāo)航速等參數(shù)，考慮到最大模糊周期的問題，所取時(shí)延值要去最大值，應(yīng)答器的編號(hào)代表了每個(gè)應(yīng)答器發(fā)射的頻率，根據(jù)設(shè)定的軌跡，通過求反解，本程序所得的時(shí)延值如表1所示：

圖3 模擬目標(biāo)預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡

表1 生成的時(shí)延數(shù)據(jù)

3.2.2 信號(hào)生成模塊

利用LabVIEW語言編寫程序，以NI PXI-4461采集卡為硬件平臺(tái)，LabVIEW程序根據(jù)上面VC程序生成的時(shí)延數(shù)據(jù)和應(yīng)答器的編號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的應(yīng)答器的模擬應(yīng)答聲信號(hào)。產(chǎn)生的模擬應(yīng)答聲信號(hào)通過換能器可以和水聲收發(fā)機(jī)進(jìn)行水聲通信。信號(hào)生成模塊的軟件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

1）前面板設(shè)計(jì)

LabVIEW的前面板，即交互式界面［3］，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，在前面板中，使用了各種圖標(biāo)如開關(guān)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖等來模擬真實(shí)儀器的面板，并可如同操作實(shí)際儀器一樣方便地調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)和進(jìn)行輸出模式定制。本文中前面板的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了LabVIEW的特長(zhǎng)，即建立了友好的人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下幾點(diǎn)：

·軟件系統(tǒng)在啟動(dòng)后首先將信號(hào)發(fā)生器初始到如下狀態(tài)：系統(tǒng)數(shù)采樣率為204ks／s，采樣周期為8s；

·應(yīng)答聲信號(hào)的強(qiáng)度可調(diào)，大小為0－1V；

·每8s同時(shí)產(chǎn)生6組應(yīng)答信號(hào)；

·模擬目標(biāo)的軌跡開始周期可調(diào)；

·程序的前面板可顯示每組應(yīng)答聲信號(hào)的頻率。

2）程序模塊設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框圖程序可分為數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)生成和顯示三個(gè)主要模塊。

數(shù)據(jù)讀?。壕帉懽x取文本文件，讀取模擬應(yīng)答聲信號(hào)的頻率和時(shí)延值。

信號(hào)生成和顯示部分：根據(jù)設(shè)計(jì)需要，同步周期設(shè)為8s，每個(gè)周期生成6組應(yīng)答信號(hào)，利用LabVIEW的采集生成模塊進(jìn)行編寫，并通過采集卡將聲信號(hào)發(fā)送給換能器。

4 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果

利用水聲收發(fā)機(jī)和PXI-4461采集卡搭建好的硬件平臺(tái)，通過操作模擬應(yīng)答器軟件產(chǎn)生應(yīng)答聲信號(hào)，長(zhǎng)基線導(dǎo)航軟件根據(jù)接收的模擬應(yīng)答器聲信號(hào)定出了目標(biāo)的軌跡，比較圖3和圖4的軌跡可知，測(cè)得的軌跡和我們預(yù)先設(shè)定的軌跡吻合，證明通過模擬器產(chǎn)生的應(yīng)答聲信號(hào)符合我們的設(shè)計(jì)要求，可模擬應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)的絕對(duì)測(cè)陣、導(dǎo)航及定位監(jiān)測(cè)的應(yīng)答器聲信號(hào)，可以在實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)的試驗(yàn)過程進(jìn)行模擬還原，從而實(shí)現(xiàn)接近海試條件下的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)和訓(xùn)練。

圖4 通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)所得的模擬目標(biāo)軌跡

5 結(jié)語

本文詳細(xì)地論述了一種基于LabVIEW的應(yīng)答器水聲定位系統(tǒng)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)方案及有關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)果。本系統(tǒng)已用于實(shí)際工作中，為在實(shí)驗(yàn)室仿真整個(gè)演練保障過程提供了很大的幫助。系統(tǒng)模塊化的硬件和軟件設(shè)計(jì)模式使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和適用性，為以后的工作打下了一個(gè)很好的基礎(chǔ)。

［1］王先華.長(zhǎng)基線水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)測(cè)陣校陣及系統(tǒng)集成［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004：35-38.

［2］封金星，丁士圻，惠俊英.水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)長(zhǎng)基線定位解算研究［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，1996，18（5）：22-23.

［3］周惠，韓焱.LabVIEW在水聲信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2007（05）：16-18.

［4］吳永亭，周興華，楊龍.水下聲學(xué)定位系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.海洋測(cè)繪，2003：18-21.

［5］林正盛.虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1997（3）：12-15.

［6］雷振山.LabVIEW的高級(jí)程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：390-399.

［7］陳錫輝.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007：102-108.

［8］雷振山.LabVIEW7Express使用技術(shù)教程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2004：260-265，362-367.

［9］宋坤，劉銳寧，李偉明.Visual C＋＋開發(fā)技術(shù)大全［M］.北京：人民郵電出版社，2007：95-105.

［10］魏永繼.VC＋＋6.0應(yīng)用程序開發(fā)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：86-93.