被動聲納基陣的數據采集與處理軟件的設計與實現

被動聲納基陣的數據采集與處理軟件的設計與實現

納杰斯

（昆明船舶設備研究試驗中心昆明650051）

在被動聲納系統中，被動聲納基陣用于監聽水面、水下航行體的輻射噪聲，基陣上的壓力傳感器可以將聲信號引起的海水振動轉換為電信號，“數據采集與處理軟件”則負責對這些電信號的采集與處理，最終估算得到航行體相對于基陣的方向與其他航行狀態。除了被動聲納基陣本身的性能外，“數據采集與處理軟件”的代碼質量很大程度上影響著整個被動聲納系統的性能，論文結合實際項目，從編程角度上詳細描述了項目中“數據采集與處理軟件”的設計方法，文中重點在于敘述軟件的編程構架、數據流路徑及設計要點，目的在于描述軟件的編程方式與實現方法。

LabVIEW程序設計；被動聲納；數據采集與處理軟件

Class NumberTN92

1 引言

被動聲納技術是實現水面、水下航行體跟蹤的主要技術手段，其主要原理是采集并處理航行體產生的聲輻射信號來估算航行體的位置狀態，在軍事運用中有著極其重要的意義［1］。

被動聲納基陣通過高精度壓力傳感器采集航行體的輻射噪聲［2］，基陣性能決定了水聲信號到模擬電信號轉換的真實性，真實有效的原始電信號是后續處理的基本保障。模擬電信號經過數據采集卡轉換為數字信號，計算機軟件再對這些數字信號進行一系列的處理，最終得以估算出航行體的方位狀態。如圖1所示，在被動聲納系統工作流程中，“數據采集與處理軟件”實現了數據采集卡的硬件控制和后續數字信號的處理，在被動聲納系統中有著重要作用，軟件的代碼質量對系統性能有較大影響。

對于本項目中“數據采集與處理軟件”的開發設計，考慮到軍事用途對數據采集的苛刻要求，選用業內領先的美國NI（National Instruments）公司的采集設備，并選用與采集硬件無縫連接的Lab?VIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Work bench）作為軟件開發環境。LabVIEW是一種圖形化、以數據流為導向的編程語言［3］，且可通過官方提供的NI-DAQmx驅動實現與NI公司硬件系統的無縫連接，使其在測量與控制系統的開發中有著得天獨厚的優勢。

2 軟件設計與實現

2.1 軟件總體設計

“數據采集與處理軟件”需要實現對數據的采集、處理、顯示、存儲、傳輸等功能，將這些功能劃分為各個相對獨立的模塊“分而治之”，每個模塊實現相對獨立的功能，模塊之間通訊盡量簡潔，這樣有利于軟件的可讀性與維護性。這些模塊間的連接關系如圖2所示。

對于軟件的具體代碼設計，采用基于消息隊列的生產者消費者編程框架。生產者是數據或指令的提供方，消費者是數據或指令的消費方［4］。生產者一般是嵌套在循環體中的與用戶交互的事件結構，消費者是嵌套在循環體中的條件結構，條件結構的分支既是對不同指令的執行方法，不同的消費者可以看作不同的模塊，他們運行在獨立的循環體中，并通過消息隊列相互通訊，不同的循環體可以看作不同的線程，所以各模塊之間具有相當的獨立性。如圖3是一個典型的生產者消費者的編程框架。

2.2 數據采集模塊設計

數據采集模塊負責對原始信號的采集工作。在本項目中，原始數據除了有模擬電信號外，還通過“電-光轉換模塊”復制出一路數字光信號，實現信號鏈路的備份，提高系統可靠性。同時，兩種信號鏈路結合了電信號電路簡單與光信號傳輸距離遠的優點，提高系統在多種使用環境下的適應能力。

對于模擬信號，使用NI公司的4303系列采集卡，單塊卡可實現24通道的模擬信號同步采集。使用NI-DAQmx驅動可便捷的實時配置、控制硬件采集卡。如圖4為本項目中NI采集卡的數據采集程序，如圖所示只需簡單地調用幾個驅動接口即實現了對3塊NI4303采集卡的同步連續采集。值得一提的是，只需在“創建虛擬任務”函數的“物理通道”輸入接口同時聲明3塊采集卡Slot3、Slot4、Slot5的物理名稱即可完成對3塊采集卡的時鐘同步設置，這就是NI公司為了工程應用簡單化提出的“Multi Device”技術。

對于數字光信號，“電-光轉換模塊”將電信號轉換為光信號后由光纖傳輸，在數據處理計算機端，“光-電轉換模塊”將光信號轉換成數字信號再通過RJ45網口輸入計算機。借助公共免費的Win?pcap（Windows Packet Capture）開發包可實現對網口的訪問讀寫，Winpcap為應用程序提供訪問網絡底層的能力，用于Windows系統下的直接的網絡編程［5］。

2.3 數據處理模塊設計

數據處理模塊負責原始數據的計算與處理，原始信號經過一系列的信號處理手段，最終解算得到航行體的方位狀態等信息。LabVIEW是一種由數據流向決定程序執行順序的數據流編程語言，在LabVIEW程序設計中，最重要的就是設計一條功能完備、邏輯明確的數據流路徑［6］。如圖5所示為“數據采集與處理軟件”的完整數據流程圖。

圖5 以數據流的角度詳細描述了數據從硬件采集卡到最終的本地存儲、網絡傳輸的完整流程。不同的模塊之間使用不同的隊列完成數據的傳輸，隊列作為數據的緩沖池，隊列長度即為緩沖池的大小，緩沖池的使用以及采用“有損耗元素入隊列”的入隊方式，根本上解決了軟件系統運行過程中各模塊之間運算速度差異的不穩定因素，可提高了整個軟件系統的穩定性，且使用隊列結構在代碼結構上提高了各模塊之間的獨立性，易于代碼維護。

“數據處理模塊”是數據流中最重要的一部分，該模塊讀取原始數據隊列，通過計算后得到航行體的方位狀態等結果。本項目中聲納基陣可同時采集72路水聲信號，單路信號硬件采樣率為50k，分辨率為16bit，這樣的數據量對于通用計算機而言較為龐大。考慮水中航行體運動的連續性，在不影響使用需求的前提下，不必連續計算航行體方位狀態，只需以一定周期間隔計算即可，中間未計算的部分可用插值的方法估算，這樣，只需截取一部分數據參與運算即可。本項目中，截取15%～20%的數據參與運算即可滿足使用需求，大大節約了計算機資源。

2.4 主界面模塊設計

主界面模塊負責將關鍵數據與運算結果顯示給用戶。得益于LabVIEW圖形化編程的特點，利用極坐標圖、二維坐標圖、文本列表框等圖表控件，可實現各重要過程數據與結果數據的圖形化顯示。主界面包含波束能量圖、時間歷程圖、目標信息文本顯示列表、極坐標波束能量圖、軟件運行信息框等。圖6所示為軟件的主界面，圖中標明了主界面上各個元素的功能與控件類型。

2.5 數據監測模塊設計

數據監測模塊主要用于監測數據的采集與處理過程，該模塊擁有一個與用戶交互的前面板，但該前面板在后臺運行，軟件正常狀態下并不顯示，可以通過單擊主界面左上方的“監測”按鈕進入該前面板界面。在數據監測界面中，軟件使用者可以通過圖表的形式直觀地監測軟件運行的實時狀態，包括硬件實時采集的原始數據、原始數據的頻譜、波束形成后各波束的頻譜等。

2.6 數據存儲&回放模塊設計

數據存儲與回放模塊實現對原始數據的流盤存儲與回放功能，為后續的數據分析提供數據支持。前文提過本項目中數據量較大，考慮到節約存儲空間、減輕硬盤讀寫負荷、保障數據有效性等因素，將原始數據默認的Float型數據（32bit）映射為Int型數據（16bit），通過公式：

可以計算出Float型實際值對應的Int型映射值，讀取數據時使用同樣的公式即可還原原值。這樣每秒的數據存儲量可減小一倍，而損失的數據精度在可以接受的范圍內。

采用NI公司開發的TDMS（Technical Data Management Streaming）格式作為存儲文件類型，具有與LabVIEW兼容性好、讀寫速度快、使用便捷等多種優勢［7］，LabVIEW也為TDMS文件提供了豐富的操作函數。

2.7 通訊控制模塊設計

通訊模塊負責“數據采集與處理軟件”與其他軟件的數據與命令通訊，“數據采集與處理軟件”在整個“被動聲納系統”中屬于下層軟件，該軟件的最終運算結果需要傳遞到上層軟件，除數據通訊外，各層軟件之間也有命令通訊。

對于數據的通訊，使用通訊機制較為簡單快速的UDP協議，軟件只需定時向指定網絡地址發送運算結果，偶爾的丟失數據并不影響系統的正常運行，不需要掌握手機制的UDP協議，占用較少的網絡資源與硬件資源［8］。

對于命令的通訊，軟件之間的命令通訊異常時很可能影響系統的正常運行，所以使用有握手機制通訊可靠的TCP協議。軟件生命周期內實時監聽并處理各軟件之間的命令，命令的收發是否反饋到主界面的“軟件運行信息框”內，告知軟件使用者命令通訊的狀態。

3 軟件設計分析

上文對“數據采集與處理軟件”的整體與各模塊設計要點均作了詳細說明，表1對文中提出的各設計要點進行了總結。

圖7描述了軟件運行在當前主流配置的計算機中各硬件資源的占用情況，CPU、內存、磁盤等主要硬件資源占用率均正常，硬件配置正常的通用計算機均可穩定運行該軟件［9］。

表1 軟件設計要點分析

4 結語

在被動聲納系統中，“數據采集與處理軟件”很大程度上影響整個系統的性能，本文描述了一個功能完備的水聲信號采集與處理軟件的設計方法與實現細節，通過文中所述方法實現的代碼運行穩定，硬件資源占用合理，目前已成功應用在多個被動聲納系統中。文中所述方法具有普適性，對于其他類型的測控項目，同樣可以采用文中所述方法進行數據采集與處理軟件的設計［10］。

［1］納杰斯.被動聲吶監測系統中目標跟蹤算法的研究［J］.國外電子測量技術，2015，34（1）：103-107.

［2］王丹，閆利超.被動聲納信號檢測技術研究［J］.信息安全與通信保密，2009，23（9）：54-57.

［3］黃豪彩，楊燦軍，陳道華，等.儀器儀表學報［J］.基于LabVIEW的深海氣密采水器測控系統，2011，32（01）：124-128.

［4］李紅剛，張素萍.基于單片機和LabVIEW的多路數據采集系統設計［J］.國外電子測量技術，2014，33（4）：35-38.

［5］許愛軍，謝娟，張華.基于WinPcap的網絡數據解析及其實現［J］.科學技術與工程，2009，9（10）：67-70.

［6］納杰斯.LabVIEW編程中基于AMC框架的多機通訊實現方法［J］.艦船電子工程，2016，36（7）：56-60.

［7］丁碩.基于LabVIEW的遠程數據通信技術的實現［J］.電子科技，2008，5（05）：62-64.

［8］潘逢群，楊建橋，鄭恩讓.基于LABVIEW的虛擬濾波器的設計與實現［J］.電子測量技術，2012，35（03）：78-82.

［9］戴成梅，戴成建.基于LABVIEW網絡虛擬數字電路實驗平臺的研制［J］.國外電子測量技術，2011，30（09）：31-34.

［10］林爽，楊風.基于LabVIEW的多通道數據采集系統的研究［J］.山西電子技術，2009，14（03）：14-17.

Design and Implementation of Data Acquisition and Processing Software for Passive Sonar Array

Na Jiesi
（Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center，Kunming650051）

In the passive sonar system，the passive sonar array is used to monitor the radiation noise of the vessel.The pres?sure sensor on the array can convert the seawater vibration caused by the acoustic signal into the electrical signal.The data acquisi?tion and processing software is responsible for the acquisition and processing of these electrical signals.The quality of the software af?fects the performance of the passive sonar system.This paper，in combination with the project，describes the software design meth?od，the paper focuses on the description of the software programming framework and design methods，the purpose is to describe the software programming and implementation methods.

LabVIEW programing，passive sonar，data acquisition and processing software

TN92

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.022

2017年2月9日，

2017年3月20日

納杰斯，男，碩士，工程師，研究方向：水聲信號處理。