基于LabVIEW的應答式水聲定位系統(tǒng)目標模擬器＊

李 斌 趙 珩

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

應答式水聲定位系統(tǒng)［1］是潛艇試驗必須的測量設備，其任務是為水下潛艇提供精確導航定位，解決潛艇在水下不同工況條件下的航行機動性能參數(shù)測量問題。該系統(tǒng)可以在潛艇及有關的武器系統(tǒng)試驗中，實時地為潛艇導航定位，保障潛艇在水下試驗中能安全、可靠、協(xié)同地機動，是靶場重要的基礎測控設備。應答式水聲定位系統(tǒng)是預先在海底布設應答器基陣，試驗前測陣校準各陣元位置。水下潛艇上裝有水聲收發(fā)機，在同步信號的觸發(fā)下周期性地發(fā)射詢問聲信號，水下各應答器收到詢問聲信號后應答其相應頻率的應答信號，水聲收發(fā)機收到應答信號后，通過同步脈沖前沿測時測得“詢問—應答—接收”的雙程聲傳播時延［2］，即可確定潛艇到各應答器之間的距離，通過空間曲面交匯法解算出潛艇的空間坐標，從而實現(xiàn)潛艇實時自導航。為適應新的試驗任務，我們對應答式水聲定位系統(tǒng)軟件及陣型進行了改造，原有的模擬器只能通過模擬電信號進行調(diào)試，不能實現(xiàn)對系統(tǒng)的水聲調(diào)試，鑒于原有的模擬器升級改造難度大、代價高，本文Labview和VC作為軟件開發(fā)平臺，PXI4461采集卡等作為硬件平臺，開發(fā)虛擬信號模擬器，可模擬應答式水聲定位系統(tǒng)測陣、導航與定位監(jiān)測的應答器的應答聲信號，在實驗室模擬還原整個研練保障測量過程。

虛擬儀器［5］VI（virtual instrument）這一概念最早是由美國國家儀器公司（NI）在20世紀80年代提出來的，它主要由計算機、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。虛擬儀器是計算機技術和測量技術相結合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)給測量技術帶來了變革，相對于傳統(tǒng)儀器的物理面板，虛擬儀器具有一個十分友好的圖形方式軟面板。虛擬儀器應用軟件集成了信息采集、測試控制、數(shù)據(jù)分析、結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，因此可以認為軟件就是儀器，它是現(xiàn)代測試儀器系統(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、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是目前國際上應用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，它具有十分強大的功能，如數(shù)值運算、信號處理、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)動的，主要由三個部分組成，即前面板、框圖程序和圖標／接線端口。

2 應答式水聲定位原理

圖1 應答式水聲定位系統(tǒng)定位原理圖

試驗前在海底預先布設應答器基陣，在同步信號的觸發(fā)下，目標潛艇上加裝的水聲收發(fā)機周期性地發(fā)射測距詢問聲信號，水下各應答器收到詢問聲信號后應答其相應頻率的應答信號，水聲收發(fā)機收到應答信號后，通過同步脈沖前沿測時，測得“詢問—應答—接收”的雙程聲傳播時延，乘以聲速即可確定目標到各應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所處的位置，逐點定位解算得到目標的運動軌跡，由此為水下目標定位導航。

3 應答式水聲定位系統(tǒng)模擬器設計

利用LabVIEW和VC作為軟件開發(fā)平臺，PXI-4461作為硬件平臺，開發(fā)虛擬信號發(fā)生器，可模擬應答式水聲定位系統(tǒng)的絕對測陣、導航及定位監(jiān)測的應答器聲信號，可以在實驗室對系統(tǒng)的試驗過程進行模擬還原，從而實現(xiàn)接近海試條件下的系統(tǒng)實驗室聯(lián)調(diào)和訓練。

3.1 模擬器系統(tǒng)硬件結構設計

模擬器主要由控制計算機和PXI-4461采集卡組成，控制計算機提供人機交互界面，設定應答信號的參數(shù)，信號發(fā)生器和控制計算機通過PXI總線進行通信，負責將控制計算機上LabVIEW軟件生成的信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬應答信號，在同步周期為8s的觸發(fā)信號下每次生成6組應答聲信號，通過發(fā)射換能器將信號發(fā)送出去。水聲收發(fā)機通過接收換能器接收模擬應答信號，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控計算機，主控計算機上的長基線導航軟件根據(jù)接收的數(shù)據(jù)就可以繪出模擬目標的軌跡。

圖2 模擬器信號流程框圖

3.2 模擬器系統(tǒng)軟件結構設計

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

3.2.1 利用VC軟件進行模型設計

1）概述

利用VC軟件預先設定模擬目標的軌跡，本軟件中根據(jù)設計需要，模擬布放了10個應答器，模擬目標的軌跡如圖3所示。

2）時延數(shù)據(jù)生成

VC編寫的程序可以修改各應答器、浮標、目標就位點、測量周期、目標航速等參數(shù)，考慮到最大模糊周期的問題，所取時延值要去最大值，應答器的編號代表了每個應答器發(fā)射的頻率，根據(jù)設定的軌跡，通過求反解，本程序所得的時延值如表1所示：

圖3 模擬目標預先設計的軌跡

表1 生成的時延數(shù)據(jù)

3.2.2 信號生成模塊

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

1）前面板設計

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

·軟件系統(tǒng)在啟動后首先將信號發(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；

·應答聲信號的強度可調(diào)，大小為0－1V；

·每8s同時產(chǎn)生6組應答信號；

·模擬目標的軌跡開始周期可調(diào)；

·程序的前面板可顯示每組應答聲信號的頻率。

2）程序模塊設計

本實驗系統(tǒng)的框圖程序可分為數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析、信號生成和顯示三個主要模塊。

數(shù)據(jù)讀取：編寫讀取文本文件，讀取模擬應答聲信號的頻率和時延值。

信號生成和顯示部分：根據(jù)設計需要，同步周期設為8s，每個周期生成6組應答信號，利用LabVIEW的采集生成模塊進行編寫，并通過采集卡將聲信號發(fā)送給換能器。

4 實驗室試驗結果

利用水聲收發(fā)機和PXI-4461采集卡搭建好的硬件平臺，通過操作模擬應答器軟件產(chǎn)生應答聲信號，長基線導航軟件根據(jù)接收的模擬應答器聲信號定出了目標的軌跡，比較圖3和圖4的軌跡可知，測得的軌跡和我們預先設定的軌跡吻合，證明通過模擬器產(chǎn)生的應答聲信號符合我們的設計要求，可模擬應答式水聲定位系統(tǒng)的絕對測陣、導航及定位監(jiān)測的應答器聲信號，可以在實驗室對系統(tǒng)的試驗過程進行模擬還原，從而實現(xiàn)接近海試條件下的系統(tǒng)實驗室聯(lián)調(diào)和訓練。

圖4 通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)所得的模擬目標軌跡

5 結語

本文詳細地論述了一種基于LabVIEW的應答器水聲定位系統(tǒng)目標模擬器設計方案及有關的設計結果。本系統(tǒng)已用于實際工作中，為在實驗室仿真整個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計模式使得系統(tǒng)具有很強的擴展性和適用性，為以后的工作打下了一個很好的基礎。

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