基于虛擬儀器技術(shù)的長基線系統(tǒng)目標模擬器?

郭燕子 李國良 劉明波

（91388部隊46分隊 湛江 524022）

1 引言

長基線水聲導航定位系統(tǒng)［1～2］海上作業(yè)區(qū)域大、潛標數(shù)目多、操作復雜，為確保海上試驗的成功，系統(tǒng)工作狀態(tài)的檢驗是必要的，這也是長基線系統(tǒng)模擬器的主要任務(wù)，同時也是日常設(shè)備保養(yǎng)和定期檢查必不可少的設(shè)備。絕大多數(shù)傳統(tǒng)模擬器采用微型計算機+數(shù)字信號處理器件（DSP）＋數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）的方式。為滿足某試驗任務(wù)對測控區(qū)域的要求，我們對長基線水聲導航定位系統(tǒng)軟件及陣型進行了改造，原有的水聲導航定位系統(tǒng)模擬器不能滿足對系統(tǒng)實驗室測試的要求，但是鑒于傳統(tǒng)目標模擬器加工工藝復雜、開發(fā)成本高、周期長、升級改造困難等特點，本文提出應用虛擬儀器技術(shù)，用Visual C++和LabVIEW及少量硬件開發(fā)目標模擬器。虛擬儀器（Virtual Instrument）即VI，是現(xiàn)代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是以通用計算機為核心，根據(jù)用戶對儀器的設(shè)計定義，用軟件實現(xiàn)虛擬控制面板設(shè)計和測試功能的一種計算機系統(tǒng)［3～4］。這樣本目標模擬器省去了電路設(shè)計、焊接等環(huán)節(jié)，利用NI現(xiàn)有的模塊完成輸入、輸出，大大縮短了開發(fā)成本及周期。

2 目標模擬器設(shè)計原理

2.1 水聲導航系統(tǒng)的原理

水聲導航定位系統(tǒng)是水下目標試驗鑒定必須的測量設(shè)備，其任務(wù)是為水下目標提供精確導航定位，解決其水下不同工況條件下的航行機動性能參數(shù)測量問題，保障水下目標在水下試驗中能安全、可靠、協(xié)同地機動，是水下試驗重要的基礎(chǔ)測控設(shè)備［5～6］。工作原理如圖1所示，在海底或海面布設(shè)水聲測量陣元，通過測量目標聲源主動或被動應答發(fā)出的聲信號傳播到各個接收陣元的時延（對同步系統(tǒng)）或時延差（對異步系統(tǒng)），采用球面交匯（對同步系統(tǒng)）或雙曲面交匯（對異步系統(tǒng)）來確定目標在發(fā)射信號時刻的水平位置［7］。

2.2 水聲導航系統(tǒng)目標模擬器設(shè)計

長基線水聲導航定位系統(tǒng)目標模擬器（以下簡稱模擬器）的主要任務(wù)是模擬目標聲源主動或被動應答發(fā)出的聲信號傳播到各個接收陣元的時延（對同步系統(tǒng)）或時延差（對異步系統(tǒng)）。近年，隨著水下試驗任務(wù)的不斷推進，試驗海區(qū)不斷擴大，為了能保證水聲導航定位系統(tǒng)的精確性，我們采取了帶有中繼潛標的海底應答器基陣，相應的對浮標、軟件等進行了修改，本模擬器主要用于對整個修改后的系統(tǒng)綜合狀態(tài)進行檢查。

根據(jù)實驗室測試要求，通過VC完成各種控制參數(shù)設(shè)置，根據(jù)給定參數(shù)產(chǎn)生模擬目標的運動軌跡，再根據(jù)設(shè)定的目標速度和同步周期對軌跡采樣，解算目標在各軌跡點發(fā)出的詢問信號及應答器應答信號到達各浮標的時延，或應答信號到達目標當前位置時延，并記錄對應應答器編號，最終以文本文件保存。利用LabVIEW軟件讀取文件并產(chǎn)生浮標收到的目標詢問及應答器應答的模擬信號數(shù)據(jù)，通過串口將信號數(shù)據(jù)傳送至NI PXI-4461數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊，輸出模擬電信號，最終通過連接換能器發(fā)出模擬 聲 信 號［8］。結(jié)構(gòu)如圖2。

3 目標模擬器硬件實現(xiàn)

根據(jù)虛擬儀器的特點，本目標模擬器只要求少量的硬件支持，其構(gòu)架包括計算機、D/A輸出、高精度數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊PXI-4461和換能器，如圖3所示。計算機用于參數(shù)的設(shè)置、信號的生成及輸出。NI PXI-4461是一款專為高通道數(shù)的聲音振動應用而設(shè)計的高精度數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊，具有2路同步采樣模擬輸入通道和2路同步更新模擬輸出通道。換能器完成由電信號到聲信號的轉(zhuǎn)換，達到在實驗室對聲信號檢測的目的。

4 目標模擬器軟件實現(xiàn)

4.1 Visual C++生成時延數(shù)據(jù)

本程序已對基本參數(shù)進行初始化，包括工作參數(shù)、聲學參數(shù)、目標參數(shù)、陣元參數(shù)、浮標等，同時也可通過對話框?qū)Ω鲄?shù)進行修改，界面如圖4。假設(shè)水下目標做勻速直線運動，在測控區(qū)布放15個海底應答器，陣型及應答器編號如圖5所示，根據(jù)設(shè)定的目標速度和同步周期對軌跡采樣，解算目標在各軌跡點發(fā)出的詢問信號及應答器應答信號到達各浮標的時延，或應答信號到達目標當前位置時延，給出時延值。鑒于無線浮標傳送距離的限制，系統(tǒng)設(shè)計布放2個浮標，當目標在左半?yún)^(qū)域活動時，由浮標1接收左半部分靠近目標六個應答器（1，2，3，6，7，8或6，7，8，11，12，13）的信號；當目標在右半?yún)^(qū)域活動時，由浮標2接收右半部分靠近目標六個應答器（3，4，5，8，9，10或 8，9，10，13，14，15）的信號；并且較遠一排應答器的信號由中間一排應答器中繼給浮標，即t時刻目標位置如圖，浮標1收到時延值為目標到12號應答器的時延t1，及應答器12到應答器7的時延t2和應答器7到應答器2的時延t3。最終程序要求得出目標到應答器的時延，并進行排序及對應應答器編號，如表1、表2。

為驗證距離模糊，假設(shè)目標在基陣下半部分運動時延最下排應答器作直線活動，由此產(chǎn)生最大時延值，如表1為目標和各應答器生成的時延及對應應答器的編號，表中可看到在第一個詢問周期，目標和8號應答器生成的時延產(chǎn)生了距離模糊，故將進入下一個周期進行定位解算。同理，假設(shè)目標在基陣上半部分運動時，模擬目標延中間一排應答器作直線活動，表2為目標和各應答器生成的時延，可看到編號為8、13、14、15的應答器的時延均產(chǎn)生了距離模糊，都將進入下一個周期進行定位解算。這種臨界狀態(tài)的選擇使本目標模擬器能夠模擬目標運動的各種情況。

表1 無中繼的時延數(shù)據(jù)

表2 帶中繼的時延數(shù)據(jù)

4.2 LabVIEW生成模擬信號

LabVIEW完成目標模擬器的主界面設(shè)計及生成模擬信號。主界面界面包括參數(shù)輸入、應答信號輸出、電壓控制等。通過主界面能夠輸入各種諸如時延數(shù)據(jù)文件路徑、開始周期、結(jié)束周期等參數(shù)，在圖形顯示區(qū)實時顯示根據(jù)時延數(shù)據(jù)和應答器的編號產(chǎn)生模擬信號，如圖6所示。

5 結(jié)語

圖7為預設(shè)的目標延編號為10，9，8，7應答器上方直線運動的軌跡，圖8為長基線水聲導航定位系統(tǒng)軟件通過接收本目標模擬器產(chǎn)生的應答器聲信號解算出的目標軌跡，通過比較可知，本目標模擬器可仿真水聲導航定位系統(tǒng)的應答聲信號，能夠在實驗室仿真試驗保障的測試過程，對整個水聲導航定位系統(tǒng)進行檢測，基本滿足設(shè)計要求，并已完成長基線水聲導航定位系統(tǒng)實驗室聯(lián)調(diào)保障。

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