(長江師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院, 重慶 408003)

0 引言

為了檢測水下聲信號處理系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)，需要根據(jù)目標(biāo)個數(shù)、信號形式、信噪比、時延、多普勒頻移等參數(shù)產(chǎn)生包含目標(biāo)反射波、海洋混響、環(huán)境噪聲等成分的水下目標(biāo)回波[1]。產(chǎn)生水下目標(biāo)回波的信號發(fā)生器有MCU、CPLD/FPGA、DSP等多種實(shí)現(xiàn)方案，但這些方案存在硬件設(shè)計調(diào)試難度大、開發(fā)周期長、可靠性難以保證、靈活性差的缺點(diǎn)，難以覆蓋進(jìn)行全面測試的需求。

虛擬儀器是當(dāng)前應(yīng)用在測試測量領(lǐng)域的熱門技術(shù)。它通過在計算機(jī)上添加少量標(biāo)準(zhǔn)化硬件并運(yùn)行相應(yīng)測試測量軟件就可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能[2-5]。虛擬儀器技術(shù)包括應(yīng)用程序開發(fā)工具、標(biāo)準(zhǔn)化I/O硬件以及軟硬件集成平臺三大組成部分。高效的應(yīng)用程序開發(fā)工具使得開發(fā)者可以快速創(chuàng)建具有友好的人機(jī)相互界面的測試測量應(yīng)用程序。模塊化I/O硬件能夠適應(yīng)日益復(fù)雜的測試測量應(yīng)用，支持開發(fā)者創(chuàng)建符合獨(dú)特應(yīng)用要求的自定義測量系統(tǒng)。軟硬件集成平臺使得開發(fā)者能夠以統(tǒng)一的方式，以更低的成本滿足不同的測試測量需求。虛擬儀器具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少以及軟硬件無縫集成的優(yōu)勢。

在眾多虛擬儀器平臺中，美國NI公司的虛擬儀器平臺以其完善的軟硬件開發(fā)工具獨(dú)樹一幟。NI創(chuàng)新性地運(yùn)用了圖像化編程和數(shù)據(jù)流的概念，將硬件驅(qū)動、程序邏輯結(jié)構(gòu)、數(shù)值與信號處理算法、通信協(xié)議等設(shè)計為圖標(biāo)式的功能節(jié)點(diǎn)，通過對相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的簡單調(diào)用即可快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。其高度易用性和強(qiáng)大功能已使其成為開發(fā)虛擬儀器應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺[6-7]。因此，本文基于NI虛擬儀器平臺的強(qiáng)大性能，面向水聲系統(tǒng)測試需求，使用LabVIEW軟件開發(fā)和相關(guān)硬件進(jìn)行一種水下目標(biāo)回波信號發(fā)生器的設(shè)計，從而為該類測試儀器的設(shè)計實(shí)現(xiàn)提供一種新的參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)基于NI的PXI-1050虛擬儀器平臺實(shí)現(xiàn)。該平臺硬件上為模塊式結(jié)構(gòu)，具體包括高性能嵌入式控制器模塊、多種信號采集模塊以及信號調(diào)理模塊。所有模塊物理上集中在同一機(jī)箱，并通過機(jī)箱背板上的PXI總線互聯(lián)。這樣，嵌入式控制器模塊可以靈活配置和控制其他模塊，從而能夠適應(yīng)廣泛的應(yīng)用需求。

基于PXI-1050虛擬儀器平臺,信號發(fā)生器系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1中，系統(tǒng)使用PXI-8187高性能嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和提供人機(jī)交互界面。該控制器運(yùn)行的是Windows操作系統(tǒng)以及系統(tǒng)主控程序(包括回波信號生成程序模塊和硬件驅(qū)動模塊)。在PXI-8187控制下，系統(tǒng)通過PXI總線控制PXI-6070E多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號的高精度輸出。對于PXI-6070E多功能數(shù)據(jù)采集卡，它同時具有模擬和數(shù)字觸發(fā)功能、2個24位20 MHz計數(shù)器/定時器、8條數(shù)字I/O線和2路12位模擬輸出。回波信號通過PXI-6070E的模擬輸出口經(jīng)屏蔽電纜輸出給被測試設(shè)備。

系統(tǒng)中使用的PXI總線是基于PCI總線實(shí)現(xiàn)模塊化儀器和CPU間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重要技術(shù)。它通過添加專用系統(tǒng)時鐘，并結(jié)合觸發(fā)總線、星形觸發(fā)總線、局部總線等結(jié)構(gòu)達(dá)到高精度定時、同步和數(shù)據(jù)通信要求。其中參考時鐘用作同一測控系統(tǒng)中的多卡同步信號；觸發(fā)總線用于同步不同PXI模塊上的同一種操作，或者控制同一系統(tǒng)中其它模塊上一系列動作的時間順序；星形觸發(fā)總線可使得從星形觸發(fā)控制模塊發(fā)出的觸發(fā)信號能夠同時同步而且迅速的到達(dá)其它的模塊，保證了系統(tǒng)中每個模塊間的精確觸發(fā)關(guān)系；局部總線可用于在模塊之間傳遞信號，也可以進(jìn)行高速邊帶通訊而不影響PCI總線的帶寬。整體上，PXI的核心內(nèi)部總線帶寬可達(dá)到132 MB/s。使用PXI總線，可以針對不同測量信號類型靈活選用不同硬件模塊，極大便利多信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建[8]。

在軟件方面，NI以DAQ VI的形式提供了豐富易用的硬件驅(qū)動程序，而且僅需要通過DAQ VI創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務(wù)后就可以靈活配置數(shù)據(jù)采集硬件的工作模式并進(jìn)行過程控制，特別是在DAQmx新一代驅(qū)動程序推出后，數(shù)據(jù)的輸入和輸出過程被進(jìn)一步簡化，通過DAQmx提供的DAQ Assistant圖形接口即可以快速設(shè)置測試任務(wù)、通道與標(biāo)度并高效完成實(shí)際信號輸入與輸出工作。所以DAQ Assistant組件可以極大便利系統(tǒng)軟件的編寫。在提供包括DAQ驅(qū)動程序在內(nèi)的各種硬件驅(qū)動、API接口以及配置工具基礎(chǔ)上，NI提供了包括ComponentWorks、LabVIEW、LabWindows/CVI在內(nèi)的多樣化的應(yīng)用軟件編程方式和相應(yīng)開發(fā)環(huán)境[6-7]，其中，ComponentWorks提供了以標(biāo)準(zhǔn)OLE控件和DLLs提供的高性能編程接口；LabVIEW提供了友好的圖形化用戶界面和強(qiáng)大的圖形語言編程環(huán)境；LabWindows/CVI則實(shí)現(xiàn)了文本化編程的類LabVIEW編程環(huán)境。

圖2顯示了使用LabVIEW編寫的系統(tǒng)主控程序VI。該VI程序?yàn)橐谎h(huán)結(jié)構(gòu)。該循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部包括2個子vi。其中Echo.vi實(shí)現(xiàn)各種水下信號數(shù)據(jù)的生成，是整個信號發(fā)生器系統(tǒng)的核心程序。與該VI連接的DAQ Assistant將則將信號數(shù)據(jù)送往PXI-6070E數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口實(shí)現(xiàn)測試信號輸出。在信號輸出過程中，它通過檢測數(shù)據(jù)采集卡工作是否超時確定數(shù)模轉(zhuǎn)換過程是否正常運(yùn)行。若發(fā)現(xiàn)超時則進(jìn)行錯誤處理，避免系統(tǒng)異常掛起。

圖2 系統(tǒng)主控程序vi

2 信號產(chǎn)生原理

水下目標(biāo)回波信號發(fā)生器必須能夠生成水下信號處理所需要的各種脈沖信號，如單頻脈沖、線性調(diào)頻信號、雙曲調(diào)頻信號、編碼波形以及其他設(shè)定波形，此外還應(yīng)產(chǎn)生諸如環(huán)境與目標(biāo)輻射噪聲、不同水域的混響的能力，從而其輸出信號能夠較好模擬水下基陣的輸出[1，9]。

2.1 單頻脈沖信號

單頻脈沖信號的復(fù)數(shù)形式是:

uc(t)=A(t)ej2πf0t

(1)

2.2 線性調(diào)頻信號

線性調(diào)頻矩形脈沖信號和高斯脈沖信號的復(fù)數(shù)形式分別是:

(2)

(3)

其中:M是線性調(diào)頻指數(shù)且M=B/τ，B為調(diào)頻帶寬,其瞬時頻率隨時間成線性變化，即:

fi=f0+Mt

2.3 雙曲調(diào)頻信號

雙曲調(diào)頻信號按如下雙曲函數(shù)規(guī)律調(diào)頻，即:

矩形包絡(luò)與高斯包絡(luò)雙曲調(diào)頻信號復(fù)數(shù)形式分別為:

(4)

(5)

雙曲調(diào)頻信號具有很好的多普勒寬容性，因此檢測目標(biāo)信號所需的硬件復(fù)雜度會大大降低，例如當(dāng)目標(biāo)的多普勒頻移小于窄帶多普勒容限時用一個窄帶匹配濾波器就可檢測到目標(biāo)信號，但超過了窄帶多普勒頻移并仍小于寬帶多普勒容限時就需要多個匹配濾波器才能檢測到目標(biāo)信號。

2.4 海洋混響信號

圖4 基本測試信號輸出波形及其頻譜

混響是一種伴隨著發(fā)射信號而產(chǎn)生的特殊形式的干擾。根據(jù)混響場特性不同，海洋混響可劃分為體積混響、海面混響和海底混響三類。其中體積混響是海水中流砂粒子、海洋生物等對聲波散射所形成的混響。海面混響是海面的不平整性和波浪形成的氣泡層對聲波散射所形成的混響。海底混響則是海底及其附近散射體形成的混響?？傮w上，海洋混響實(shí)質(zhì)上是一種非平穩(wěn)的隨機(jī)過程，由于形成原因的復(fù)雜性，對海洋混響的仿真十分復(fù)雜。

經(jīng)過大量研究，人們發(fā)現(xiàn)海洋混響的強(qiáng)度與發(fā)射信號的能量成正比關(guān)系，譜結(jié)構(gòu)和發(fā)射信號具有一定相似性，而且混響的瞬時值呈高斯分布，包絡(luò)則呈瑞利分布。根據(jù)海洋混響的統(tǒng)計特性，海洋混響在一定程度上可簡化為一個平穩(wěn)高斯隨機(jī)時變過程，這樣就可以用圖3模型對海洋混響進(jìn)行模擬。

圖3 簡化的海洋混響模型

圖3中模型采用高斯白噪聲作為激勵。白噪聲具有頻帶寬，能量分布均勻的特征。由于實(shí)際環(huán)境中的噪聲基本上都可歸為白噪聲，再結(jié)合混響的統(tǒng)計特性，所以這里采用高斯白噪聲是合理的。在該模型中，高斯白噪聲在通過帶通濾波器后即成為有色噪聲，最后與混響衰減曲線相乘即可得到最終混響信號。

考慮到混響與發(fā)射信號的相關(guān)性，以及它自身的頻率和時變特性，必須要對其生成的噪聲按各路混響相關(guān)性的要求進(jìn)行處理，然后再按照發(fā)射信號對混響的具體要求進(jìn)行濾波、放大等處理，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號與混響信號的相關(guān)性。

3 LabVIEW實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

在NI提供的多種應(yīng)用程序開發(fā)工具中，LabVIEW為開發(fā)者特別是不熟悉文本編程語言的開發(fā)者提供了圖形化的編程語言(稱為G語言)和大量功能節(jié)點(diǎn)。圖像化編程語言不同于C、Pascal或Matlab等文本編程語言，它是通過使用功能節(jié)點(diǎn)(Node)和數(shù)據(jù)連線結(jié)合圖像化的程序流程控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)程序功能。由于為用戶屏蔽了大量編程細(xì)節(jié)，所以能夠顯著降低應(yīng)用程序的編寫難度，而提供的各種功能節(jié)點(diǎn)則幫助開發(fā)者顯著提高應(yīng)用程序開發(fā)效率。

LabVIEW內(nèi)置了豐富的數(shù)學(xué)和信號處理節(jié)點(diǎn)。利用這些節(jié)點(diǎn)，可以快速實(shí)現(xiàn)信號生成、頻率分析、概率、統(tǒng)計、數(shù)學(xué)運(yùn)算、曲線擬合、插值、數(shù)字信號處理等等各種數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，此外LabVIEW還提供了軟件聲音與振動、機(jī)器視覺、RF/通信測量、瞬態(tài)/短時持續(xù)信號分析等附加工具，加速。這里，基于上節(jié)所述信號原理，利用LabVIEW內(nèi)置的數(shù)學(xué)和信號處理節(jié)點(diǎn)/附件工具實(shí)現(xiàn)各中水下回波信號的生成。

3.1 脈沖信號的生成

令采樣頻率=200 kHz，單頻脈沖信號頻率為=25 kHz，線性調(diào)頻和雙曲調(diào)頻信號的起始頻率=18 kHz，截止頻率=32 kHz，信號脈沖寬度s。結(jié)合前述脈沖信號原理，通過調(diào)用相應(yīng)數(shù)值計算vi實(shí)現(xiàn)的高斯包絡(luò)脈沖信號(長度為1 024點(diǎn))及相應(yīng)頻譜如圖4 所示。

3.2 海洋混響信號的生成

LabVIEW提供了Uniform White Noise.vi、Gaussian White Noise.vi、Gamma Noise.vi、Bernnoulli Noise.vi等節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)各類噪聲信號的生成。結(jié)合圖4所示原理，這里采用Gaussian White Noise.vi。它能夠產(chǎn)生均值為0方差為特定值的高斯白噪聲信號。

在濾波器方面上，LabVIEW的濾波器函數(shù)包括Express VI的濾波器VI、波形調(diào)理VI的濾波器VI和函數(shù)選板中的濾波器VI三個部分。無論是IIR濾波器還是FIR濾波器都可實(shí)現(xiàn)，可傳遞的信號數(shù)據(jù)類型也包括波形信號和數(shù)組信號兩種，可供用戶靈活調(diào)用。在提供的濾波器類型方面，除常規(guī)的巴特沃斯、切比雪夫、橢圓、貝塞爾等類型的等波紋的低通、帶通、帶阻、高通濾波器Vi外，LabVIEW還提供高級FIR、高級IIR濾波器程序包，通過設(shè)置圖標(biāo)的采樣頻率、濾波器階數(shù)等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)所需濾波特性的數(shù)字濾波器[6-7]。這里選擇使用Equi-Ripple BandPass.vi。該VI通過Parks-McClellan算法和高通帶截止頻率、低通帶截止頻率、抽頭數(shù)、低阻帶截止頻率、高阻帶截止頻率、采樣頻率，生成具有等波紋特性的帶通FIR濾波器，從而達(dá)到在整個頻域獲得良好均一性的目的。該帶通FIR濾波器的低通帶頻率和高通帶頻率分別設(shè)置為0.09和0.16(按歸一化)。在其過渡帶設(shè)計上，圖5給出了階數(shù)分別為8，16，38，64時的濾波器特性。對比可見，濾波器階數(shù)越大，過渡帶寬就越窄，濾波性能越好，但相應(yīng)等會造成計算量顯著增加的問題。所以，為平衡濾波性能和計算開銷，確定抽頭數(shù)為38，此時可以同時獲得較好的過渡帶寬和較小的紋波水平。

圖5 濾波器階數(shù)與濾波器特性

對于海洋混響的生成，混響衰減曲線的選擇是另一個關(guān)鍵點(diǎn)，本文根據(jù)不同的混響類型選擇經(jīng)典的衰減曲線。體積混響、海面混響、海底混響的衰減曲線分別為:

圖6是應(yīng)用G語言編程得到的體積混響程序框圖，圖7是相應(yīng)的體積混響效果圖(波形數(shù)據(jù)長度為1 024點(diǎn))。可見對體積混響的模擬是較好的。

圖6 體積混響曲線的G語言實(shí)現(xiàn)

圖7 體積混響衰減特性曲線

3.3 目標(biāo)回波的模擬

水下目標(biāo)存在距離、方位和速度特征，距離參數(shù)可以通過回波時延反映；對接收基陣而言，目標(biāo)回波在各陣元間的時延差則反映了目標(biāo)方位信息；當(dāng)目標(biāo)移動時候產(chǎn)生的回波多普勒頻移反映了目標(biāo)的移動信息，綜上，目標(biāo)回波是經(jīng)過時延、多普勒頻移的發(fā)射信號、再疊加混響、環(huán)境噪聲后的信號，圖8是高斯包絡(luò)雙曲調(diào)頻信號為發(fā)射信號時得到的回波波形。

圖8 高斯包絡(luò)雙曲調(diào)頻信號的回波波形

通過合理調(diào)用LabVIEW提供的數(shù)學(xué)與信號處理組件，按照相關(guān)數(shù)學(xué)模型采用圖像化編程，能夠獲得相應(yīng)數(shù)學(xué)特征的信號。隨后，生成的各信號均通過DAQ Assistant VI進(jìn)行硬件輸出。該VI的使用步驟如下：1)將DAQ助手置于程序框圖中。即在程序框圖上右擊并選擇Express?Output?DAQ Assistant，然后鼠標(biāo)左擊即可將DAQ 助手置于程序框圖上；2)配置DAQ 助手的輸入或輸出類型。即選擇Generate Signals?Analog Output?Voltage，選擇PXI-6070E設(shè)備并選擇數(shù)據(jù)通道；3)配置生成任務(wù)。將Generation Mode選擇為 Continuous Samples，對Samples to Write輸入128，確認(rèn)Use Waveform Timing以及自動建立While 循環(huán)等配置選項(xiàng)；4)將所生成的信號接入DAQ Assistant VI左側(cè)的信號輸入端。最終，生成的信號通過PXI-6070E多功能數(shù)據(jù)采集卡的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行實(shí)際輸出。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于虛擬儀器方案的水下目標(biāo)回波信號發(fā)生器。在NI PXI-1050虛擬儀器平臺上，利用其強(qiáng)大的信息處理與數(shù)據(jù)吞吐能力獲得了快速、穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng)性能。利用NI虛擬儀器技術(shù)統(tǒng)一靈活的硬件結(jié)構(gòu)和LabVIEW快速便捷的圖形化編程方法進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對于與構(gòu)建以MCU、CPLD/FPGA 、DSP等處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案具有更好的靈活性、擴(kuò)展性和時間成本優(yōu)勢。因此，本系統(tǒng)設(shè)計方案具有較強(qiáng)的工程和實(shí)用意義，為今后類似系統(tǒng)的開發(fā)提供了一定參考。

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