郁 蓉

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七○五研究所 西安 710075）

1 引言

在現(xiàn)代信號處理中，普遍需要現(xiàn)場采集大量的信號數(shù)據(jù)，為信號處理技術(shù)研究提供仿真驗(yàn)證和性能評估的依據(jù)。在使用過程中，需要實(shí)時(shí)記錄產(chǎn)品的工作狀態(tài)信息，便于在出現(xiàn)問題后，進(jìn)行問題的復(fù)現(xiàn)。高性能的數(shù)據(jù)回放設(shè)備為應(yīng)用各種算法對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析提供依據(jù)，為檢驗(yàn)系統(tǒng)工作性能提供了重要的技術(shù)手段，為探測畫面，分析目標(biāo)參數(shù)和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。因此數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)在軍用和民用信號處理系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用。

聲納系統(tǒng)作為核心系統(tǒng)，其功能隨要求的提高而日趨復(fù)雜。為了對聲納系統(tǒng)進(jìn)行全面的性能指標(biāo)測量及功能摸底，需要完成大量的水池試驗(yàn)及外場試驗(yàn)。聲納系統(tǒng)數(shù)據(jù)回放分析軟件正是為聲納水池、外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示判讀、試驗(yàn)情況分析、參數(shù)優(yōu)化、故障歸零提供依據(jù)。本軟件的設(shè)計(jì)將有效地減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短研制周期，從而極大地降低了聲納系統(tǒng)的研制成本。

2 聲納工作原理［1］

聲納系統(tǒng)通常由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、數(shù)字信號處理機(jī)及聲學(xué)換能器等組成。通常分為主動、被動兩種工作方式。

1）主動聲納工作原理：由信號數(shù)字處理機(jī)產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過發(fā)射機(jī)放大后激勵發(fā)射換能器，向水面發(fā)射探測信號，該信號經(jīng)目標(biāo)反射后，由接收換能器接收并送入聲納接收機(jī)，接收機(jī)對輸入的模擬信號進(jìn)行預(yù)處理后送入信號處理機(jī)A／D端口，信號處理機(jī)完成信號的采集、處理后，將原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果保存。

2）被動聲納工作原理：目標(biāo)輻射噪聲由接收換能器接收并送入聲納接收機(jī)，接收機(jī)對輸入的模擬信號進(jìn)行預(yù)處理后送入信號處理機(jī)A／D端口，信號處理機(jī)完成信號的采集、處理后，將原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果保存到falsh中。

保存的數(shù)據(jù)通常包括主被動原始的A／D采集數(shù)據(jù)、波束形成后的數(shù)據(jù)，以及各種檢測結(jié)果，包括目標(biāo)的距離、方位等重要參數(shù)信息。

3 數(shù)據(jù)回放分析軟件設(shè)計(jì)

圖1 主動A／D采樣及增益控制

本軟件采用基于圖形化的編程語言Labview進(jìn)行開發(fā)。Labview是一種強(qiáng)有力的虛擬儀器開發(fā)工具，主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示領(lǐng)域。

3.1 軟件功能

軟件的主要功能包括：數(shù)據(jù)記錄、分析處理、圖形化顯示。整個程序采用模塊化設(shè)計(jì)。

3.2 界面介紹

軟件采用多文檔結(jié)構(gòu)，操作方便。所有功能在主菜單中進(jìn)行操作，并支持多窗口打開，便于在使用過程中進(jìn)行多種方式的功能對比。圖1為主動A／D采樣及增益控制界面。界面主要分為兩個部分，上半部分用于顯示試驗(yàn)全程的增益放大倍數(shù)以及增益控制碼，下半部分用于顯示主動通道的A／D采樣數(shù)據(jù)。由于每次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)量很大，為了防止由于數(shù)據(jù)量過大造成顯示時(shí)間過長，可以通過輸入起始結(jié)束周期并選擇需要的通道數(shù)來顯示。在圖形顯示中可以通過圖形的游標(biāo)精確地定位具體數(shù)值，并且具有便捷的局部放大和恢復(fù)功能。此外，不同的通道圖對應(yīng)的曲線顏色不同，并在圖形的左邊進(jìn)行顯示。

3.3 功能程序設(shè)計(jì)

各功能程序使用Labview程序語言編寫而成，并充分利用了Labview工具箱提供的各種數(shù)組操作、信號分析等函數(shù)。下面主要就主動檢測數(shù)據(jù)的讀取、分析、顯示等軟件做一簡要介紹。數(shù)據(jù)軟件工作框圖如圖2所示。

圖2 軟件功能圖

3.3.1 數(shù)據(jù)格式

各類數(shù)據(jù)在存儲時(shí)采用統(tǒng)一的格式，以便軟件有更好的可移植性和通用性。不同型號的聲納系統(tǒng)采用一致的數(shù)據(jù)格式即可實(shí)現(xiàn)回放軟件的通用性。大大減少重復(fù)的軟件設(shè)計(jì)和編制工作，加快研制周期。例如在數(shù)據(jù)的前端增加一個8個32bit的整型數(shù)字頭，將數(shù)據(jù)的長度、類型、分類等信息進(jìn)行標(biāo)定。

1－數(shù)據(jù)起始標(biāo)志字（特殊字，如AAAA）；

2－記錄此批數(shù)據(jù)的總長度；

3－記錄此批數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型（1表示整型、2表示浮點(diǎn)等）；

4－記錄此批數(shù)據(jù)的工作方式（1表示主動方式、2表示被動方式等）；

5－記錄此批數(shù)據(jù)的分類（1表示A／D采樣數(shù)據(jù)、2表示波束形成數(shù)據(jù)、3表示檢測數(shù)據(jù)等）；

6－記錄此批數(shù)據(jù)的工作模式（1表示增益自適應(yīng)、2表示門限自適應(yīng)、3表示工作模式等）；

7－記錄此批數(shù)據(jù)的運(yùn)行時(shí)間（定時(shí)器相對時(shí)間）；

8－預(yù)留信息。

3.3.2 數(shù)據(jù)讀取

在數(shù)據(jù)讀取的過程中根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，先讀n個32bit的字頭，然后判斷后面讀取的數(shù)據(jù)的長度和類型，再將數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行整理。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，若數(shù)據(jù)中間出現(xiàn)異常，可根據(jù)字頭中的標(biāo)志字進(jìn)行整理。這樣可以保證在重要數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以將異常數(shù)據(jù)刪除，從而保證大多數(shù)數(shù)據(jù)正常讀取并顯示。

3.3.3 主動信息分析顯示

主動聲納是根據(jù)探測與目標(biāo)之間距離的遠(yuǎn)近，按照一定的時(shí)間周期進(jìn)行的。每個周期根據(jù)工況的不同采用不同幀數(shù)、不同滑動以及不同信號處理字長度算。數(shù)據(jù)分析并圖形化顯示，能一目了然地看出主動聲納系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中的具體采樣、波束形成、檢測以及結(jié)果信息，達(dá)到快速準(zhǔn)確分析試驗(yàn)結(jié)果、檢測聲納工作是否正常、幫助確定檢測門限以及確定通道增益放大量是否合適的目的。主動工作流程如圖3所示。

圖3 主動回放流程

4 應(yīng)用實(shí)例

圖4 某次試驗(yàn)?zāi)持芷谥鲃訖z測數(shù)據(jù)回放

圖5 某次試驗(yàn)被動檢測結(jié)果

本軟件已應(yīng)用于聲納系統(tǒng)的研制工作中，圖4為某次試驗(yàn)數(shù)據(jù)截取的一個主動工作周期的結(jié)果。圖5為某次試驗(yàn)數(shù)據(jù)被動檢測的結(jié)果。

從圖4中最上面的圖形中可以看出試驗(yàn)中，主動工作方式下各個周期發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的情況，以及發(fā)現(xiàn)目標(biāo)周期是否連續(xù)。根據(jù)需要在周期號中輸入周期號，得到指定周期的三維強(qiáng)度圖，圖形的左邊顯示本周期檢測的結(jié)果信息包括目標(biāo)距離、方位、頻率等。中間的圖形有黑、蘭、白三種顏色，顏色越白說明檢測值越大，越有可能是期望的目標(biāo)。根據(jù)目標(biāo)所在的位置通過游標(biāo)得到目標(biāo)所出現(xiàn)的濾波器號和幀號，在下面的兩個兩維圖形中可以更清晰的顯示出檢測值和門限的關(guān)系，以確定門限是否設(shè)置恰當(dāng)。根據(jù)圖形的顯示，可以調(diào)整聲納檢測門限或調(diào)整算法，以達(dá)到更早、更快、更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和提高聲納系統(tǒng)作用距離等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的作用。

從圖5中可以看到，根據(jù)輸入被動檢測的段號，在最上面的圖形中顯示出被動各個波束的檢測值。在下面兩個圖形中，分別顯示單個波束在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)檢測結(jié)果和門限的對比情況，以及規(guī)定時(shí)間點(diǎn)處所有波束檢測值和門限的對比情況。根據(jù)圖形的顯示可以清晰判斷出門限是否合適以及目標(biāo)特征是否明顯，為提高算法檢測能力提供依據(jù)。當(dāng)聲納系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不合適時(shí)，通過回放圖形的比較，可快速定位故障，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使其得到正確的檢測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了故障的快速定位及歸零。

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)回放技術(shù)，作為現(xiàn)代信號檢測技術(shù)的重要組成部分，是數(shù)據(jù)采集存儲技術(shù)的后續(xù)和衍生。其與數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號處理技術(shù)相結(jié)合，已在雷達(dá)、通訊、水聲遙測、地震勘測等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著人們對信號檢測技術(shù)性能需求的不斷提高，如何能快速、精確地實(shí)現(xiàn)大量歷史數(shù)據(jù)的回放，為信號處理技術(shù)提供有效的歷史數(shù)據(jù)，已成為信號檢測技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。本軟件具有數(shù)據(jù)回讀、顯示、結(jié)果分析驗(yàn)證等功能，軟件界面友好，實(shí)用性強(qiáng)。軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可移植性強(qiáng)，并且增加軟件功能、修改參數(shù)簡單方便。軟件投入使用后為聲納系統(tǒng)的研制工作提供了很大的便利，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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