盛成明，徐宏水，陳 昕

(海軍702廠，上海 200434)

綜合聲吶是艦艇的主要聲吶裝備，其日常維修保障就顯得尤為重要。通常綜合聲吶包含水上分機(jī)和水下分機(jī)2大部分，其中水下分機(jī)包含發(fā)射和接收換能器、單條接線盒、自耦合變壓器、前置放大器、聲障板、總接線盒等。水下分機(jī)的主要功能是接收目標(biāo)信號(hào)，并對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行放大。其工作狀態(tài)直接關(guān)系到聲吶系統(tǒng)對(duì)水下目標(biāo)的檢測(cè)能力。目前對(duì)水下分機(jī)維修采用的檢測(cè)手段是艦艇進(jìn)塢，將導(dǎo)流罩的水排空后，逐一對(duì)水下分機(jī)相關(guān)部件進(jìn)行檢測(cè)判斷。由于進(jìn)塢前無(wú)法及時(shí)掌握水下分機(jī)的工作狀態(tài)，一旦檢測(cè)出故障，給維修器件籌措、維修周期確定、塢期時(shí)間排定帶來(lái)極大不利，影響相關(guān)部門的維修決策。因此研制一套聲吶水下分機(jī)信號(hào)分析與故障判斷裝置，能夠在艦艇不進(jìn)塢的狀態(tài)下對(duì)水下分機(jī)故障進(jìn)行判斷和定位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水下分機(jī)的故障和隱患，為水下分機(jī)及時(shí)有效的精準(zhǔn)維修，提高維修效率，降低維修成本，為相關(guān)部門的維修決策和判斷提供有力依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

聲吶水下分機(jī)信號(hào)分析與故障判斷裝置的原理框圖如圖1所示。

將從水下分機(jī)實(shí)時(shí)接收到的32路信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后儲(chǔ)存,依次從32路中取出2路進(jìn)行頻譜分析,將32路的頻譜分析結(jié)果儲(chǔ)存并進(jìn)行比對(duì),找出對(duì)應(yīng)的故障通道.同時(shí)將所存儲(chǔ)的32路信號(hào)進(jìn)行噪聲能量檢測(cè),找出偏離平均值3 dB以上的通道。根據(jù)上述2種方法分析比對(duì)，判斷所對(duì)應(yīng)的水下分機(jī)的故障通道及故障類型[1]。

圖1 總體設(shè)計(jì)原理框圖

聲吶水下分機(jī)信號(hào)分析與故障判斷裝置具備對(duì)綜合聲吶前放輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析(多通道時(shí)域頻域信號(hào)、通道實(shí)時(shí)交直流分量、干擾分量分貝值和通道間信號(hào)相關(guān)性分析)；通道故障判斷；通道信號(hào)錄音與回放，通道信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)聽等多項(xiàng)功能。

2 系統(tǒng)硬件組成

本裝置采用PXI總線，主要由機(jī)箱、同步采集卡、多通道選通卡、信號(hào)轉(zhuǎn)接裝置、自檢電路等組成，利用選通卡對(duì)8路信號(hào)實(shí)現(xiàn)8選1，再采用同步采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步采集。其系統(tǒng)硬件的組成框圖如圖2所示[2]。

圖2 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1 機(jī)箱

機(jī)箱選型ADlink PXIS-2506，該機(jī)箱為3U 6槽PXI/CompactPCI機(jī)箱，配有1個(gè)系統(tǒng)槽和5個(gè)外圍槽，集成PXI的所有功能，10 MHz時(shí)鐘參考，星型觸發(fā)、局部總線和1個(gè)觸發(fā)總線。PXIS-2506配有250 W 交流CompactPCI高可靠、無(wú)間斷供電電源模塊，可從前面板直接插拔，便于現(xiàn)場(chǎng)更換，縮短了MTTR(平均修復(fù)時(shí)間)。同時(shí)選擇ADlink PXI-3920作為與PXIS-2506機(jī)箱配套使用的嵌入式控制器，該控制器上采用了多種測(cè)量?jī)x器插口和可靠的機(jī)械及電器設(shè)計(jì)。

2.2 同步采集卡

整個(gè)硬件系統(tǒng)中最重要的部分為多通道同步采集卡。多通道同步采集卡的選擇主要基于以下考慮：一是前放輸出信號(hào)為mV級(jí)，采集精度應(yīng)為100 μV量級(jí)；二是考慮到通道之間信號(hào)的相關(guān)性，選擇相鄰?fù)ǖ佬盘?hào)進(jìn)行采樣；同時(shí)還要兼顧通道故障判斷的樣本數(shù)，確定同步采集卡為8通道同步采樣；三是由于接收信號(hào)頻率為0～10 kHz,單通道信號(hào)采樣頻率≥20 kHz。綜合考慮后選擇了ADlink PXI-2022，該采集卡為16位、16通道數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率250 kHz,電壓范圍±2.5 V或±10 V，能滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

2.3 多通道選通卡

采用多通道選通卡可以大大降低開發(fā)成本。針對(duì)綜合聲吶水下分機(jī)64個(gè)信號(hào)通道，8路同步采集，需要8個(gè)8×1多通道選通卡。選擇NI公司的PXI-2576多通道選通卡。該選通卡拓?fù)淇梢詾?線 16個(gè)4×1、2線8個(gè)8×1、2線 4個(gè)16×1、2線 2個(gè)32×1和2線 1個(gè)64×1中任何一種。

2.4 信號(hào)轉(zhuǎn)接裝置

信號(hào)轉(zhuǎn)接由64路輸入到多通道選通卡端子板的連接線以及多通道選通卡端子板到同步采集卡端子板的連接線2個(gè)部分組成，如圖3所示。

圖3 信號(hào)轉(zhuǎn)接裝置

信號(hào)轉(zhuǎn)接裝置將輸入的64路信號(hào)進(jìn)行奇、偶序號(hào)分組，每組各32路，每32路再分為4組8路，分別送至相應(yīng)的Din-20P-01端子板，由多通道選通卡控制通道的開閉。每個(gè)端子板輸出1個(gè)信號(hào)通路，8個(gè)端子板共輸出8路信號(hào)送至Din-68S-01端子板。通過Din-68S-01端子板與數(shù)據(jù)采集卡的連線將8路信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集。

2.5 自檢裝置

設(shè)計(jì)自檢裝置目的是通過利用標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和各主要功能模塊進(jìn)行功能和性能檢查。自檢裝置產(chǎn)生正弦信號(hào)頻率為1 kHz，輸出電壓500 mV。產(chǎn)生的8路信號(hào)通過Din-68S-01端子板送至數(shù)據(jù)采集卡。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

軟件基于Windows XP操作系統(tǒng)，采用Labview語(yǔ)言編寫,開發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)abview2009。Labview(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器平臺(tái))是一種可視化開發(fā)平臺(tái)，基于圖形開發(fā)調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，借助虛擬前面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器應(yīng)用程序。

應(yīng)用程序主要功能模塊有：相鄰8通道信號(hào)同步采集與處理模塊、故障類型分析與判斷模塊、通道信號(hào)監(jiān)聽與錄音模塊以及系統(tǒng)自檢模塊，各模塊之間相互獨(dú)立。系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)加載的方式實(shí)現(xiàn)各模塊之間的切換[4]。

軟件實(shí)現(xiàn)通道選擇切換、多通道數(shù)據(jù)同步采集、信號(hào)交流直流分量，通道相關(guān)性分析，通道故障診斷，時(shí)域頻域信號(hào)監(jiān)測(cè)，信號(hào)錄音與回放等主要功能。

1)通道數(shù)據(jù)同步采集與處理。8通道數(shù)據(jù)同步采集與處理模塊結(jié)果顯示分3個(gè)部分：一是選擇通道信號(hào)的時(shí)域和頻域波形顯示；二是選擇通道信號(hào)的直流、交流以及分貝值顯示；三是通道間信號(hào)相關(guān)性顯示。

2)信號(hào)時(shí)域和頻域。實(shí)現(xiàn)信號(hào)時(shí)域和頻域目的是通過觀察信號(hào)時(shí)域和頻域的差異，觀察和分析出故障通道。輸入?yún)?shù)為監(jiān)聽通道選擇、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、起始通道和最大電平。顯示區(qū)域?yàn)樾盘?hào)的時(shí)域和頻域波形，其中信號(hào)頻域計(jì)算采用FFT法(快速傅里葉變換)[5]。

3)信號(hào)直、交流分量和分貝值。信號(hào)直、交流分量和分貝值顯示的目的是通過觀察通道之間的直、交流分量和分貝值對(duì)故障進(jìn)行分析和判斷。信號(hào)交、直流分量是通過采集當(dāng)前通道交流與直流值，并用柱狀圖顯示出來(lái)，并同時(shí)顯示出該通道的分貝值。

4)通道間信號(hào)相關(guān)性模塊。通道間信號(hào)相關(guān)性模塊可比較兩路通道信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，以及它們與參考通道之間的相關(guān)系數(shù)?？娠@示通道間信號(hào)相關(guān)性界面，其中輸入?yún)?shù)為相關(guān)參數(shù)，顯示選定通道與通道計(jì)算的相關(guān)函數(shù)；選擇參考通道，顯示各路與選定通道的相關(guān)系數(shù)。

5)故障類型分析與判斷。故障類型分析與判斷模塊的實(shí)現(xiàn)原理是對(duì)故障通道逐一掃描、采集信號(hào)并實(shí)現(xiàn)故障分析判斷。該模塊結(jié)果顯示分為64通道時(shí)頻域顯示、64通道4指標(biāo)直方圖、故障類型分析3個(gè)部分。

(1)64通道時(shí)頻域顯示。界面可顯示水下分機(jī)示意圖，通道號(hào)為1～64，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)1個(gè)綠色指示燈?！盁魷纭睍r(shí)表示當(dāng)前通道未掃描，“燈亮”時(shí)表示當(dāng)前通道正在被掃描中。掃描時(shí)，系統(tǒng)機(jī)箱中還會(huì)伴有“嗒”的聲音。掃描后，所有通道信號(hào)被存儲(chǔ)后，以強(qiáng)度圖的形式顯示在“空時(shí)分布圖”中。信號(hào)經(jīng)FFT后，顯示“空頻分布圖”。采用“空時(shí)分布圖”和“空頻分布圖”2種形式顯示信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確掌握信號(hào)的變化特點(diǎn)，從而找出故障通道。

(2)64通道4指標(biāo)直方圖。系統(tǒng)計(jì)算出所有通道信號(hào)的4個(gè)指標(biāo)分量：50 Hz干擾分量、支流分量、交流分量、相關(guān)系數(shù)。計(jì)算這4個(gè)指標(biāo)分量的優(yōu)點(diǎn)是：能從指標(biāo)量化的角度發(fā)現(xiàn)故障通道。

(3)故障類型分析。根據(jù)對(duì)水下分機(jī)的主要故障和其相應(yīng)的信號(hào)特征分析，故障信號(hào)特征可分為3大類：一是信號(hào)對(duì)地短路故障；二是前放開路故障；三是水聽器損壞。顯示故障信號(hào)特征與50Hz干擾分量、支流分量、交流分量、相關(guān)系數(shù)的相應(yīng)關(guān)系，得出故障結(jié)論。

6)信號(hào)監(jiān)聽模塊。信號(hào)監(jiān)聽模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)聲吶水下分機(jī)通道監(jiān)聽?？衫脫P(yáng)聲器或外接耳機(jī)對(duì)選擇通道進(jìn)行監(jiān)聽，也可從監(jiān)聽聲音中對(duì)通道的狀態(tài)進(jìn)行故障初判。

信號(hào)監(jiān)聽模塊界面，輸入?yún)?shù)為通道選擇，采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)和最大采樣電平。

播放設(shè)備為本裝置的聲卡標(biāo)示名稱。通道采樣點(diǎn)數(shù)表示緩存中對(duì)信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)。通過音量調(diào)節(jié)旋鈕可對(duì)音量大小進(jìn)行控制。錄音模塊為監(jiān)聽的通道進(jìn)行錄音，數(shù)據(jù)保存可以采用.wav和.tdms格式并可以設(shè)定保存數(shù)據(jù)的路徑，可用windows播放器播放，也可以用信號(hào)錄音回放模塊進(jìn)行回放。

7)信號(hào)回放。信號(hào)回放可以對(duì)需要保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新讀取。信號(hào)回放界面首先添加之前在信號(hào)監(jiān)聽模塊中保存的文件，然后加載至播放列表，同時(shí)雙擊文件則可以從耳機(jī)中聽到之前所錄音的文件的聲音。

4 結(jié)束語(yǔ)

聲吶水下分機(jī)信號(hào)分析與故障判斷裝置的研制，硬件整體構(gòu)架采用COTS技術(shù)、軟件構(gòu)架采用模塊動(dòng)態(tài)加載技術(shù)，把信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用在聲吶水下分機(jī)檢測(cè)與修理上，利用頻譜分析、功率計(jì)算和相關(guān)性分析等信號(hào)處理技術(shù)，分析通道可能存在的故障，能及時(shí)判斷水下分機(jī)故障特性及故障部位，改善了以往檢測(cè)方式自動(dòng)化程度低、靈活性差、檢測(cè)效率低的缺點(diǎn)，極大提高了維修效率；將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用在聲吶水下分機(jī)檢測(cè)與修理上，在少量硬件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)眾多電參數(shù)的綜合檢測(cè)，方便進(jìn)行信號(hào)處理分析和顯示結(jié)果，采用了選通卡+同步采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)64通道的信號(hào)采集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組建方便，有很好的性價(jià)比，軟件界面友好，為聲吶水下分機(jī)的檢修維護(hù)工作提供了便利，滿足了綜合聲吶修理的實(shí)際需求。