李文濤，邱薇，趙二亮，王長(zhǎng)紅

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聲相關(guān)計(jì)程儀檢測(cè)技術(shù)

李文濤1,2，邱薇1，趙二亮1，王長(zhǎng)紅1

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

聲相關(guān)計(jì)程儀(Acoustic Correlation Log, ACL)檢測(cè)技術(shù)用于對(duì)ACL在陸上進(jìn)行功能檢測(cè)。闡述了檢測(cè)技術(shù)原理、檢測(cè)方案以及檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用聲吶陣對(duì)接檢測(cè)的方案，可以連續(xù)對(duì)ACL完成一系列的檢測(cè)。為了對(duì)70 kHz ACL進(jìn)行功能檢測(cè)，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(tái)，開發(fā)了微軟基礎(chǔ)類庫(kù)(Microsoft Foundation Classes, MFC)框架下的檢測(cè)軟件，搭建了完整有效的可視化檢測(cè)平臺(tái)。該檢測(cè)平臺(tái)可以完成對(duì)70 kHz ACL的在載體功能檢測(cè)，包括發(fā)射通道檢測(cè)、接收通道檢測(cè)以及串口輸出檢測(cè)等主要功能檢測(cè)。檢測(cè)平臺(tái)使用便捷，性能穩(wěn)健。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試證明，檢測(cè)方案具備可行性，檢測(cè)平臺(tái)具有實(shí)用性。

聲相關(guān)計(jì)程儀；檢測(cè)技術(shù)；可視化軟件平臺(tái)

0 引言

聲學(xué)測(cè)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(cè)速聲吶”。從原理上分，測(cè)速聲吶包括多普勒測(cè)速聲吶和相關(guān)測(cè)速聲吶。其中多普勒測(cè)速技術(shù)是一種成熟的測(cè)速技術(shù)，而相關(guān)聲吶測(cè)速技術(shù)是一種處于快速發(fā)展中的測(cè)速技術(shù)。相關(guān)測(cè)速聲吶是利用“波形不變性”原理[3]，通過對(duì)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(cè)，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(guó)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(cè)試，如測(cè)速精度等指標(biāo)更是需要通過跑船試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)[5]，因此對(duì)ACL的檢測(cè)，尤其是在載體檢測(cè)非常困難。研究ACL檢測(cè)技術(shù)主要為了實(shí)現(xiàn)ACL在載體功能的檢測(cè)，確保ACL入水使用前功能正常。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所已研發(fā)了多型相關(guān)測(cè)速聲吶[3,6-8]，目前正在開展聲相關(guān)計(jì)程儀專用檢測(cè)設(shè)備的研制。聲相關(guān)計(jì)程儀檢測(cè)設(shè)備可以對(duì)ACL的主要功能進(jìn)行在載體檢測(cè)，在載體檢測(cè)指ACL安裝到載體(如潛器)上時(shí)對(duì)其完成檢測(cè)，從而為實(shí)際使用ACL帶來極大便利。

1 檢測(cè)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(duì)分體式ACL檢測(cè)的主要方案有：對(duì)換能器陣和電子分機(jī)的分別檢測(cè)；整機(jī)對(duì)接檢測(cè)[9-11]。分別檢測(cè)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(cè)較為繁瑣，尤其是對(duì)已安裝在潛器上的ACL進(jìn)行在載體檢測(cè)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(duì)接檢測(cè)是指，將兩個(gè)換能器陣的陣面按陣元位置對(duì)應(yīng)對(duì)準(zhǔn)并緊密貼合，然后通過操作電子分機(jī)對(duì)ACL進(jìn)行功能檢測(cè)。采用對(duì)接檢測(cè)時(shí)，可以連續(xù)、無需過多人為干預(yù)地對(duì)ACL完成一系列的檢測(cè)，操作起來簡(jiǎn)便快捷，相對(duì)更為實(shí)用可行。

檢測(cè)設(shè)備換能器陣(以下稱對(duì)接陣)與ACL換能器陣均為平面陣，對(duì)接陣的陣元分布是ACL的鏡像，對(duì)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(duì)接，反之亦然。檢測(cè)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(cè)設(shè)備控制ACL的工作模式和接收ACL輸出的數(shù)據(jù)。

檢測(cè)開始前，檢測(cè)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(cè)時(shí)，ACL通過換能器發(fā)射陣輸出預(yù)設(shè)信號(hào)，檢測(cè)設(shè)備有7個(gè)換能器陣元與ACL發(fā)射陣元對(duì)應(yīng)對(duì)接，檢測(cè)設(shè)備的7個(gè)陣元與7路接收通道對(duì)應(yīng)，如果對(duì)接陣接收信號(hào)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(cè)時(shí)，檢測(cè)設(shè)備通過對(duì)接陣的8個(gè)發(fā)射陣元輸出預(yù)設(shè)信號(hào)，通過ACL的網(wǎng)絡(luò)接口接收并分析ACL接收到的8路信號(hào)，如果接收信號(hào)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(duì)ACL串口輸出進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)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(cè)某型分體式70 kHz ACL，研發(fā)了70 kHz ACL檢測(cè)設(shè)備。它的主要功能是對(duì)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(cè)，并判定是否出現(xiàn)故障。

70 kHz ACL檢測(cè)設(shè)備由電子分機(jī)、對(duì)接陣和連接電纜等組成。其中對(duì)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(tái)，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(duì)接陣。

檢測(cè)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(chǎng)操作。在檢測(cè)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(duì)檢測(cè)流程進(jìn)行正常的選擇切換，以順利完成功能檢測(cè)。

檢測(cè)設(shè)備的硬件系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

ACL檢測(cè)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(cè)設(shè)備電子分機(jī)

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

3 檢測(cè)流程及可視化軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

檢測(cè)設(shè)備的基本工作模式和整體流程如圖5所示。

該檢測(cè)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(cè)平臺(tái)，運(yùn)行在PXI控制器的WINDOWS平臺(tái)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(kù)。

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

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

最后，整機(jī)檢測(cè)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(tái)?；诙嗪说奶幚砥鳎谲浖?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(cè)結(jié)果

基于上述的檢測(cè)平臺(tái)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ACL的功能檢測(cè)，下面給出檢測(cè)結(jié)果。

4.1 發(fā)射檢測(cè)結(jié)果

在一次發(fā)射檢測(cè)測(cè)試中，檢測(cè)設(shè)備A/D采樣其中4個(gè)通道的信號(hào)采樣結(jié)果如圖9所示，對(duì)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(hào)明顯弱于其它通道，由此可判定通道2異常。

4.2 接收檢測(cè)結(jié)果

在一次接收檢測(cè)測(cè)試中，ACL接收通道A/D采樣信號(hào)如圖11所示，對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(hào)強(qiáng)度很弱，可判定為通道異常。

4.3 串口檢測(cè)結(jié)果

對(duì)串口進(jìn)行檢測(cè)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(cè)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(dòng)時(shí)，即進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)以及檢測(cè)設(shè)備自檢。該部分檢測(cè)主要目的是檢測(cè)有關(guān)設(shè)備的硬件是否工作正常，網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)用于確保電子分機(jī)對(duì)ACL的控制，主要測(cè)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(cè)設(shè)備自檢用于確保電子分機(jī)對(duì)對(duì)接陣的控制，主要檢測(cè)快速多通道并行A/D以及D/A模塊是否正常。

對(duì)于整機(jī)檢測(cè)，除軟件的控制流程設(shè)計(jì)不同外，其檢測(cè)結(jié)果是上述發(fā)射、接收及串口檢測(cè)結(jié)果的總和。此外，檢測(cè)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(cè)需求，ACL檢測(cè)設(shè)備采用了換能器陣對(duì)接檢測(cè)的方案?；谶\(yùn)行在PXI控制器的WINDOWS平臺(tái)，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(cè)平臺(tái)。該檢測(cè)平臺(tái)可以完成對(duì)70 kHz ACL的在載體功能檢測(cè)，包括發(fā)射通道檢測(cè)、接收通道檢測(cè)以及串口輸出檢測(cè)等主要功能檢測(cè)?；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(cè)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(duì)檢測(cè)流程的手動(dòng)機(jī)械控制；軟件層面上實(shí)現(xiàn)了不同級(jí)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(cè)試證明，檢測(cè)方案具備可行性，檢測(cè)平臺(tái)具有實(shí)用性、易用性，軟件平臺(tái)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(duì)70 kHz ACL的在載體功能檢測(cè)。

[1] Dickey F R, Edward J A. Velocity measurement using correlation sonar[C]// Proceedings of the IEEE Conference on Position Location and Navigation, San Diego, U.S.A. 1978: 255-264.

[2] Kritz J. Parametric array Doppler sonar (PADS)[C]// Proceedings of IEEE Conference Oceans’76. 1976, 8: 426-433.

[3] 朱維慶, 馮雷, 王長(zhǎng)紅, 等. 聲相關(guān)流體速度測(cè)量理論和信號(hào)處理方法[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 32(2): 144-150.

ZHU Weiqing, FENG Lei, WANG Changhong, et al. Theory and signal processing of acoustic correlation techniques for current velocity measurement[J]. Acta Acustica, 2007, 32(2): 144-150.

[4] 王長(zhǎng)紅, 朱敏, 何平, 等. 聲相關(guān)流速剖面儀(ACCP)原理樣機(jī)研制[J]. 聲學(xué)技術(shù), 1999, 18(增刊): 189-190.

WANG Changhong, ZHU Min, HE Ping, et al. Prototype of acoustic correlation current profiler (ACCP)[J]. Technical Acoustics, 1999, 18(suppl.): 189-190.

[5] 朱維慶, 王長(zhǎng)紅. 相關(guān)測(cè)速聲吶測(cè)量載體對(duì)底速度的方法及其系統(tǒng): 中國(guó), CN1219219 B[P]. 2003.

ZHU Weiqing, WANG Changhong. Method and system of vertical velocity to bottom measurement by using correlation sonar: China, CN1219219 B[P]. 2003.

[6] 馮雷, 王長(zhǎng)紅, 汪玉玲, 等. 相關(guān)測(cè)速聲吶工作原理及海試驗(yàn)證[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2005, 24(2): 70-75.

FENG Lei, WANG Changhong, WANG Yuling, et al. Velocity measurement with correlation sonar and sea test verification[J]. Technical Acoustics, 2005, 24(2): 70-75.

[7] 王長(zhǎng)紅, 邱薇, 汪玉玲, 等. 大深度聲相關(guān)流速剖面儀樣機(jī)研制[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2002, 21(增刊): 421-423.

WANG Changhong, QIU Wei, WANG Yuling, et al. Development of long range acoustic correlation current profiler[J]. Technical Acoustics, 2002, 21(suppl.): 421-423.

[8] ZHU Weiqing, WANG Changhong, HUANG Yong et al. Theoretical model and error analysis of acoustic correlation current profiler (ACCP)[C]// Proceedings of IEEE Conference OCEANS'99 MTS/IEEE, San Diego, U.S.A. 1999: 382-385.

[9] MA Long, ZHANG Xiangjun, DENG Kai, et al. An acoustic simulation approach for testing ADCP[C]// Oceans–San Diego, 2013, San Diego, CA, U.S.A. 2013; 23-27.

[10] 馬龍, 鄧鍇, 吳建波, 等. 一種多普勒聲吶陸上測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法: 中國(guó), CN102590804 B[P]. 2014.

MA Long, DENG Kai, WU Jianbo, et al. An acoustic simulation approach for testing ADCP and the testing method: China, CN102590804 B[P]. 2014.

[11] 苑秉成, 陳喜, 黃雄飛. 一種多普勒聲吶測(cè)試的對(duì)接裝置: 中國(guó), CN101458331 B[P]. 2011.

YUAN Bingcheng, CHEN Xi, HUANG Xiongfei. An interfacing apparatus for testing ADCP: China, CN101458331 B[P]. 2011.

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?hào)與信息處理。

王長(zhǎng)紅, E-mail: wangch@mail.ioa.ac.cn