激光多普勒測(cè)振計(jì)信號(hào)采集和處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王晶晶,尚建華,賀　巖,羅　遠(yuǎn)

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上?！?01620;2.中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空間激光信息技術(shù)研究中心,上?！?01800)

激光多普勒測(cè)振計(jì)信號(hào)采集和處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王晶晶1,尚建華1,賀巖2,羅遠(yuǎn)2

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海201620;2.中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空間激光信息技術(shù)研究中心,上海201800)

摘要為實(shí)現(xiàn)激光-水聲淺海地形遙感探測(cè)中,激光多普勒測(cè)振計(jì)的數(shù)據(jù)采集和處理,解決數(shù)據(jù)采集處理中采樣率低、人機(jī)界面操作不便、在線處理不及時(shí)、采樣通道數(shù)目少等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種可視化的信號(hào)采集和處理系統(tǒng)。借助VC++編程技術(shù),對(duì)PCI5616數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了激光多普勒測(cè)振計(jì)輸出信號(hào)的采集、實(shí)時(shí)顯示、保存以及在線處理。實(shí)驗(yàn)表明,該信號(hào)采集處理系統(tǒng)能滿足實(shí)際水面測(cè)量的工作需求,有效實(shí)現(xiàn)了激光多普勒測(cè)振計(jì)輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理,并具有操作靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、集成度高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞激光多普勒測(cè)振計(jì);信號(hào)采集;在線處理;PCI5616數(shù)據(jù)采集卡;消息機(jī)制

Design of Signal Acquisition and Processing System for Laser Doppler Vibrometer

WANG Jingjing1,SHANG Jianhua1,HE Yan2,LUO Yuan2

(1.College of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China;

2.Research Center of Space Laser Information Technology,Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,

Chinese Academy of Science,Shanghai 201800,China)

AbstractA visual data acquisition and processing system is presented to satisfy the signal processing specification of the laser Doppler vibrometer (LDV) working for the optic-acoustic remote sensing of the shallow terrain and to resolve the questions of low sampling rate,inconvenient man-machine interface and the less number of channels for sampling.VC++ is employed in the post-development of PCI5616 to achieve real-time display,acquisition,storage,and real-time data-processing of the signals.With good processing capacity,flexible operation,good real-time performance and high integration,this data acquisition and processing system realizes the real-time acquisition and processing of the output signals of LDV and meets the demand of topographic mapping under the hydrodynamic water surface.

Keywordslaser Doppler vibrometer;data acquisition;real-time process;PCI5616;messages mechanism

由于淺海大部分區(qū)域的水深均在百米以內(nèi),且渾濁度普遍較高,傳統(tǒng)的海洋遙感系統(tǒng)通常以母船或者拖曳體為載體,并采用聲波探測(cè)技術(shù)實(shí)施測(cè)量,其機(jī)動(dòng)性和靈活性有限,因而難以完成大范圍、快速、高效的動(dòng)態(tài)環(huán)境測(cè)量。較傳統(tǒng)的聲波探測(cè)技術(shù)而言,借助水面實(shí)現(xiàn)光聲信息轉(zhuǎn)換的聲-光耦合技術(shù),突破了傳統(tǒng)激光遙感的探測(cè)局限,使得基于空中平臺(tái)的測(cè)量技術(shù)具備一定的海水深度穿透能力,進(jìn)而為航空遙感水下環(huán)境提供了一條新的技術(shù)路線[1]。

激光多普勒測(cè)振計(jì)是實(shí)現(xiàn)聲-光耦合、淺海地形遙感探測(cè)的重要組成部分,激光多普勒測(cè)振計(jì)應(yīng)用多普勒效應(yīng),利用激光的高相干性測(cè)量水面的振動(dòng)速度,進(jìn)而獲取水下聲信息[2]。由于激光多普勒測(cè)振計(jì)實(shí)現(xiàn)聲光探測(cè)的真實(shí)工作環(huán)境為動(dòng)態(tài)水面,水面處回波信號(hào)光會(huì)因動(dòng)態(tài)水面波動(dòng)而發(fā)生實(shí)時(shí)改變,致使回波信號(hào)光偏離測(cè)振計(jì)接收視場(chǎng)范圍,造成信號(hào)丟失,影響系統(tǒng)的探測(cè)率。因此,采用多路激光多普勒測(cè)振計(jì)實(shí)施測(cè)量,可提高回波信號(hào)光的捕獲概率,增強(qiáng)系統(tǒng)的適用性。

綜合考慮多路激光多普勒測(cè)振計(jì)的工作環(huán)境特點(diǎn)以及系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻譜特征,采用數(shù)據(jù)采集卡PCI5616設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多路激光多普勒測(cè)振計(jì)的信號(hào)采集和處理,進(jìn)而獲取水面的振動(dòng)信息和水下聲信號(hào)的分布特征[3-4]。

1信號(hào)采集和處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　數(shù)據(jù)采集卡PCI5616

數(shù)據(jù)采集卡PCI5616是一款4通道同步并行高速數(shù)據(jù)采集卡,非實(shí)時(shí)采集時(shí)每通道的最高采樣率可同時(shí)達(dá)到5 MSimple·s-1,內(nèi)部A/D的轉(zhuǎn)換精度為16 bit,并配有16 kB的FIFO,且板載緩存可增加至512 MB。同時(shí),兼容32位PCI Specification Version 2.1總線接口標(biāo)準(zhǔn),具有即插即用(PnP)的功能,并支持DMA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。利用PCI5616的并行同步擴(kuò)展總線還可擴(kuò)展得到更多數(shù)據(jù)采集通道,實(shí)現(xiàn)多通道高速動(dòng)態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)記錄,滿足多通道并行同步采集的應(yīng)用需求[5-7]。

因此,基于PCI5616數(shù)據(jù)采集卡,可選用VC++開(kāi)發(fā)工具,實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)多路激光多普勒測(cè)振計(jì)的信號(hào)采集,并能夠?qū)Σ杉盘?hào)進(jìn)行處理,最終獲得水面的振動(dòng)信息和水下聲信號(hào)特征。

1.2　信號(hào)采集

信號(hào)采集采用Windows消息機(jī)制實(shí)現(xiàn),以更好滿足實(shí)時(shí)采集中響應(yīng)時(shí)間的要求,操作界面的具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。在信號(hào)采集工作開(kāi)始前,首先在硬盤中創(chuàng)建16進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件,用于保存實(shí)時(shí)采集得到的信號(hào)。其次,打開(kāi)動(dòng)態(tài)庫(kù),將信號(hào)采集所需的采集類函數(shù)封裝在OpenTopdll()函數(shù)中,完成采集準(zhǔn)備工作,PCI5616采集卡中的采集類函數(shù)都是以dll形式給出的。

準(zhǔn)備工作完成之后,首先分配系統(tǒng)內(nèi)存,確定采集到的信號(hào)的臨時(shí)存放位置。其次,設(shè)置系統(tǒng)參數(shù),包括通道耦合方式、通道濾波器帶寬、K系數(shù)、每通道量程范圍、每通道偏移量、通道采集是否允許、采集觸發(fā)模式、觸發(fā)源類別、總線觸發(fā)邏輯、通道觸發(fā)邏輯及觸發(fā)電平值、采樣時(shí)鐘源、采集長(zhǎng)度、外時(shí)鐘頻率等,以上采集參數(shù)均需在每次采集前重新確認(rèn)設(shè)置。待設(shè)置部分參數(shù)只需設(shè)為相應(yīng)的索引值即可,例如CtrlBlock[i].smpclk_idx[j]=2,表明設(shè)定PCI5616數(shù)據(jù)采集卡的每通道采樣率為2 MSimple·s-1。

采集參數(shù)設(shè)置完畢,數(shù)據(jù)采集卡調(diào)用采集函數(shù)pTopDllEx→Acq(i,0xff)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集,并發(fā)送消息Top_Trgevent到上層應(yīng)用程序。當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡工作在觸發(fā)方式時(shí),當(dāng)且僅當(dāng)外觸發(fā)信號(hào)到達(dá)后,數(shù)據(jù)采集卡才能保存指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù),指定的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度即為參數(shù)設(shè)置中設(shè)定的采集長(zhǎng)度。指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,系統(tǒng)將不再保存采集得到的數(shù)據(jù),并發(fā)送Top_Acqover消息結(jié)束采集過(guò)程。單次數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,調(diào)用StatusCheck函數(shù),檢測(cè)采集卡的當(dāng)前狀態(tài),并將該狀態(tài)信息返回到相關(guān)結(jié)構(gòu)變量中,以進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)讀取操作。數(shù)據(jù)采集卡的工作狀態(tài)包括準(zhǔn)備采集、正在采集以及結(jié)束采集3種。在數(shù)據(jù)讀取時(shí),調(diào)用Pack函數(shù)取出采集卡保存的數(shù)據(jù),并將該部分?jǐn)?shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)采集開(kāi)始前創(chuàng)建的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件中。然后,調(diào)用this→Invalidate(TRUE)和OnDraw()函數(shù),實(shí)時(shí)顯示本次采集到的數(shù)據(jù)信息。

圖1　操作界面設(shè)計(jì)流程圖

如需再次進(jìn)行信號(hào)采集,則要重新設(shè)置采集參數(shù),依次執(zhí)行信號(hào)采集命令。否則,調(diào)用函數(shù)Stopacq(),終止采集卡的工作過(guò)程,并在MFC視圖類中執(zhí)行動(dòng)態(tài)庫(kù)關(guān)閉命令(CloseTopdll命令)。

1.2.1數(shù)據(jù)采集卡的控制

數(shù)據(jù)采集卡控制功能的實(shí)現(xiàn)在于準(zhǔn)確調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡PCI5616提供的API函數(shù),API函數(shù)是以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式提供的,該類函數(shù)的調(diào)用順序要符合邏輯要求。通過(guò)調(diào)用相關(guān)API函數(shù),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡硬件的控制,達(dá)到層次性結(jié)構(gòu)管理的目的。此外,為實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制,可采用直接處理硬件實(shí)時(shí)中斷服務(wù)工作方式。

圖2所示為API函數(shù)的調(diào)用流程。首先,對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行自檢和初始化處理;其次,調(diào)用采集類函數(shù),依次執(zhí)行硬件參數(shù)設(shè)置、采集啟動(dòng)、采集卡狀態(tài)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)打包和頭文件信息獲取等功能命令;最后,關(guān)閉動(dòng)態(tài)庫(kù),完成API函數(shù)的調(diào)用。每次數(shù)據(jù)采集時(shí),上述函數(shù)的調(diào)用過(guò)程均需順序執(zhí)行一次。

圖2　API函數(shù)調(diào)用流程

1.2.2采集信號(hào)的顯示和保存

(1)信號(hào)顯示。信號(hào)采集處理系統(tǒng)要求具有豐富的操作功能,主要包括采集信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、保存、采集方式的選擇以及每通道量程和采樣率的設(shè)定。在采集方式方面,由于信號(hào)采集處理系統(tǒng)是利用脈沖信號(hào)觸發(fā)而開(kāi)始信號(hào)采集的,且每次觸發(fā)的時(shí)間間隔為1 s或2 s。所以,信號(hào)采集選用多次采集的工作方式。其次,每通道的量程可以在±10 V、±5 V、±2 V和±1 V中切換。由于數(shù)據(jù)采集卡PCI5616的非實(shí)時(shí)采集最高采樣率為5 MSimple·s-1/通道,實(shí)時(shí)采集最高采樣率為2 MSimple·s-1/通道,因此,數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)定為采樣率可選形式,以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

信號(hào)采集處理系統(tǒng)要求具備采集信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示功能以及信號(hào)處理結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示功能,因此,在信號(hào)顯示功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,借助Windows API函數(shù)invalidate()實(shí)現(xiàn)該要求。Invalidate(true)函數(shù)的作用是擦除顯示背景,使整個(gè)顯示窗口客戶區(qū)無(wú)效,表明窗口客戶區(qū)需要重繪。同時(shí),Windows會(huì)在應(yīng)用程序的消息隊(duì)列中,調(diào)用消息處理函數(shù)OnDraw(),并放置WM_PAINT消息,最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示[8-9]。

(2)信號(hào)保存。在實(shí)時(shí)顯示采集信號(hào)的同時(shí),還要進(jìn)行采集信號(hào)的實(shí)時(shí)保存,以滿足激光多普勒測(cè)振計(jì)輸出信號(hào)的離線分析和后處理需求。以4通道信號(hào)采集為例,信號(hào)保存結(jié)構(gòu)如圖3所示,數(shù)據(jù)頭記錄了數(shù)據(jù)采集卡以及本次采集的相關(guān)信息,而4個(gè)通道的信號(hào)則是以采集時(shí)間為準(zhǔn),逐一保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件中的,在4個(gè)通道信號(hào)的第一點(diǎn)數(shù)據(jù)全部保存結(jié)束之后,再依次記錄4個(gè)通道的后續(xù)采樣結(jié)果。

圖3　信號(hào)保存結(jié)構(gòu)

1.3　信號(hào)處理

信號(hào)處理是激光多普勒測(cè)振計(jì)有效獲取水面振動(dòng)信息的重要手段,信號(hào)處理算法如圖4所示,可分別借助離線處理和在線處理兩種方式實(shí)現(xiàn)。離線處理方式中,數(shù)據(jù)采集卡PCI5616采集并保存原始信號(hào),再利用Matlab對(duì)該信號(hào)進(jìn)行離線處理,進(jìn)而提取水面的振動(dòng)信息;在線處理方式中,直接對(duì)采集得到的信號(hào)進(jìn)行處理,并實(shí)時(shí)在線顯示處理結(jié)果,較離線處理方式而言,在線處理實(shí)時(shí)性強(qiáng),縮短了系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。

圖4　信號(hào)處理算法

2性能測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

多路激光多普勒測(cè)振計(jì)的信號(hào)采集和處理的操作界面如圖5所示,工具欄中包含文件、編輯、查看、量程、采樣率等內(nèi)容,可設(shè)定采集數(shù)據(jù)保存路徑以及數(shù)據(jù)采集參數(shù)。另外,增加4個(gè)快速訪問(wèn)按鈕,以使初始化系統(tǒng)、采集次數(shù)設(shè)定以及停止采集的控制更加便捷。根據(jù)激光多普勒測(cè)振計(jì)信號(hào)采集的要求,采集過(guò)程可分別設(shè)定為單次采集、多次采集和連續(xù)采集3種方式[10-11]。

為驗(yàn)證激光多普勒測(cè)振計(jì)信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的工作性能,進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,主要包括實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi),設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡PCI5616的采樣通道數(shù)為2、每通道采樣率為2 MSimple·s-1、量程范圍為±2 V。圖5所示為信號(hào)采集和處理系統(tǒng)雙通道信號(hào)采集的實(shí)時(shí)顯示結(jié)果,一路信號(hào)為頻率為1 kHz、幅值為1.5 V的正弦信號(hào)采集顯示,另一路為未連接信號(hào)時(shí)數(shù)據(jù)采集卡的固有輸出顯示結(jié)果[12-14]。

圖5　信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的操作界面

在浙江省千島湖進(jìn)行的水聲信號(hào)外場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,數(shù)據(jù)采集卡PCI5616實(shí)時(shí)采集并保存激光多普勒測(cè)振計(jì)輸出的兩路信號(hào)I(t)和Q(t),且數(shù)據(jù)采集卡工作在外觸發(fā)方式。激光多普勒測(cè)振計(jì)兩路信號(hào)的分布規(guī)律如圖6所示,縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值,橫坐標(biāo)是數(shù)據(jù)采集卡采樣點(diǎn)數(shù)。實(shí)際測(cè)量環(huán)境下,湖面的晃動(dòng)導(dǎo)致水面處的回波光信號(hào)偏離激光多普勒測(cè)振計(jì)的接收視場(chǎng)。因而,圖6(a)中PCI5616采集得到的激光多普勒測(cè)振計(jì)的輸出信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù),且返回接收視場(chǎng)的回波光信號(hào)越強(qiáng),信號(hào)的幅值越大。圖6(b)為有回波信號(hào)返回系統(tǒng)時(shí)激光多普勒測(cè)振計(jì)輸出信號(hào)的細(xì)節(jié)信息。由此證明,信號(hào)采集和處理系統(tǒng)工作正常,能夠滿足激光多普勒測(cè)振計(jì)的信號(hào)采集處理需求。

圖6　激光多普勒測(cè)振計(jì)輸出信號(hào)及其局部分布特征

3結(jié)束語(yǔ)

本文基于數(shù)據(jù)采集卡PCI5616設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用于激光多普勒測(cè)振計(jì)的信號(hào)采集和處理系統(tǒng),系統(tǒng)的采集方式、采樣速率、量程范圍等參數(shù)均可調(diào)。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)可達(dá)到激光多普勒測(cè)振計(jì)的信號(hào)采集和處理要求,能有效實(shí)現(xiàn)實(shí)際水面的振動(dòng)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和在線實(shí)時(shí)處理。因此,對(duì)于水面振動(dòng)特征的提取以及水下聲信號(hào)的獲得具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介:王晶晶(1990—),男,碩士研究生。研究方向:檢測(cè)技術(shù)。尚建華(1983—),女,博士,副教授。研究方向:激光遙感探測(cè)技術(shù)等。賀巖(1977—),男,博士,副研究員。研究方向:先進(jìn)激光雷達(dá)技術(shù)等。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51403034);國(guó)家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2012BAH34B03)

收稿日期:2015- 05- 20

中圖分類號(hào)TN247;TP732

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)01-009-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.003