基于CompactRIO的水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究*

（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

我國(guó)海洋面積幅員遼闊，海洋資源豐富，特別是能源、礦藏、生物等資源是人類的資源寶庫(kù)。隨著中國(guó)及世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)利用已由淺海逐漸走向深海。人們對(duì)海洋的不斷探索與對(duì)海洋認(rèn)識(shí)的不斷提高，海洋資源的開(kāi)發(fā)利用與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展已緊密相連。人們?cè)谔剿髋c開(kāi)發(fā)海洋資源尋找各種方法與途徑，為此研制了多種多樣的傳感器與采集探測(cè)設(shè)備。然而，水聲探測(cè)技術(shù)在海洋探索領(lǐng)域中任然具有至關(guān)重要的作用。隨著人們?cè)诤Ｑ筇剿饔蓽\到深、由近海到遠(yuǎn)洋的不斷拓展，這樣就要求水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有多通道、大容量、高速傳輸、高精度采樣等特點(diǎn)。同時(shí)，在深海遠(yuǎn)洋這一特定海洋環(huán)境中，海洋水文、氣候瞬息萬(wàn)變，這就對(duì)水聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗惡劣海況等提出了新的要求。

近年來(lái)，隨著我國(guó)新型武器聲自導(dǎo)導(dǎo)精度和抗干擾能力不斷提高，武器自導(dǎo)信號(hào)體制趨向?qū)掝l帶、多頻制組合脈沖等方面發(fā)展，現(xiàn)有的武器裝備與水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)分開(kāi)布放，二者在深度、距離和姿態(tài)上產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，帶來(lái)對(duì)武器與自導(dǎo)信號(hào)監(jiān)測(cè)存在較大的監(jiān)測(cè)誤差。現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)存在工作頻帶窄、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力不足等問(wèn)題，難以滿足新型武器監(jiān)測(cè)任務(wù)的需要。

因此，本文設(shè)計(jì)一種基于CompactRIO的寬頻帶水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它具有高精度、寬頻帶、多通道、大容量高速傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，可以滿足對(duì)深海遠(yuǎn)洋海洋探測(cè)與軍事領(lǐng)域中武器聲自導(dǎo)信號(hào)監(jiān)測(cè)的需要。

2 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文將設(shè)計(jì)一種基于CompactRIO的寬頻帶水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括水下水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)（水聲接收系統(tǒng)和水下結(jié)構(gòu)光纖網(wǎng)絡(luò)通信通信系統(tǒng)）及一臺(tái)配備由Labview編寫的信號(hào)處理顯示軟件的便攜式計(jì)算機(jī)終端，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

水聲接收系統(tǒng)、水下結(jié)構(gòu)、光纖網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)共同組成水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)。水下結(jié)構(gòu)為水聲接收系統(tǒng)各個(gè)功能部件提供水密艙位及固定安裝機(jī)構(gòu)，用以保證整個(gè)水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)能夠安全順利吊放于海洋中固定深度位置且能在各種海況情況下保持姿態(tài)穩(wěn)定。光纖網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)為便攜式計(jì)算機(jī)終端與水聲接收系統(tǒng)建立光纖網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)鏈路，通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)終端人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)控制指令與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳與下達(dá)。

圖1 系統(tǒng)組成

3 水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)

3.1 水聲接收系統(tǒng)

水聲接收系統(tǒng)主要由CompactRIO嵌入式系統(tǒng)、4路模擬NI-9222采集卡、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、水聽(tīng)器等組成，如圖2所示。

CompactRIO是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司生產(chǎn)的一款可重新配置的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，如圖3（a）所示。CompactRIO系統(tǒng)擁有堅(jiān)固的硬件架構(gòu)，功能豐富，其中包含：I/O模塊、帶有可重新配置的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的機(jī)箱、實(shí)時(shí)控制器。實(shí)時(shí)處理器的主頻高達(dá)400MHz，F(xiàn)PGA擁有43661個(gè)邏輯單元，多達(dá)58個(gè)乘法器，整機(jī)可以在-20℃～55℃之間工作。CompactRIO通過(guò)其通用的I/O接口可以同各種各樣的通用采集模塊以及輸出模塊相鏈接，這些模塊包括：電壓輸入輸出、熱電偶、電流輸入輸出、數(shù)字輸入輸出、串行通信、運(yùn)動(dòng)控制等。用戶可以采用LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)工具對(duì)CompactRIO進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，并將之應(yīng)用于各類嵌入式控制和監(jiān)測(cè)應(yīng)用中。CompactRIO是基于LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，LabVIEW中包含了數(shù)千種專為工業(yè)測(cè)量和控制應(yīng)用程序創(chuàng)建的高級(jí)函數(shù)。這些強(qiáng)大的工具可輕松實(shí)現(xiàn)高級(jí)信號(hào)理、頻率分析，以及數(shù)字信號(hào)處理，如快速傅立葉變換（FFT）、時(shí)頻分析、聲音和振動(dòng)、小波分析、曲線擬合，以及控制設(shè)計(jì)與仿真。此外，將CompactRIO嵌入式測(cè)控系統(tǒng)作為平臺(tái)，用戶還可通過(guò)插入各種功能板卡來(lái)擴(kuò)展適用范圍如機(jī)器視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域。CompactRIO嵌入式測(cè)控系統(tǒng)具有信號(hào)處理和分析性能優(yōu)異、硬件結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠、靈活的模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)［13］。

圖2 水聲接收系統(tǒng)組成框圖

NI-9222是可以插入CompactRIO嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的4個(gè)同步采樣且相互隔離的模擬輸入通道采集卡，如圖3（b）所示。它的模擬輸入通道之間，通道與地之間處于浮接狀態(tài)，每個(gè)通道輸入的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖、調(diào)理，然后由16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其采樣，每個(gè)通道均帶有獨(dú)立的信號(hào)通路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)4個(gè)通道同步采樣。

圖3 a CompactRIO嵌入式測(cè)控系統(tǒng) b NI-9222采集卡

水聲接收系統(tǒng)NI-9222采集卡插入CompactRIO嵌入式測(cè)控系統(tǒng)專用插槽內(nèi)，并用水密接插件將水聽(tīng)器與模擬電路調(diào)理電路連接在一起，模擬電路調(diào)理電路與采集卡通過(guò)同軸電纜連接。模擬電路調(diào)理電路、采集卡、CompactRIO嵌入式測(cè)控系統(tǒng)安裝于水下電子艙內(nèi)。

模擬信號(hào)調(diào)理電路采用單端輸入/輸出，由DC-DC變換、前置放大、低通濾波器、帶通頻濾波器、信號(hào)放大器組成。水聽(tīng)器接收海洋中聲波信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)水密接插件與模擬信號(hào)調(diào)理電路中前置放大端連接，通過(guò)前置放大后的電信號(hào)送后一級(jí)濾波器進(jìn)行濾波。

本系統(tǒng)根據(jù)海洋探測(cè)與水下武器聲自導(dǎo)信號(hào)頻率分段特點(diǎn)，在模擬信號(hào)調(diào)理電路中設(shè)置了兩個(gè)濾波器，一個(gè)是中低頻段低通濾波器，另一個(gè)是高頻段帶通濾波器，提高了系統(tǒng)接對(duì)微弱信號(hào)接收能力。根據(jù)前置放大端送來(lái)的不同頻段信號(hào)分別放大后，經(jīng)濾波并放大后的模擬信號(hào)由模擬信號(hào)調(diào)理電路輸出端輸出給加裝的4路模擬信號(hào)采集卡NI-9222進(jìn)行采樣。

3.2 水下結(jié)構(gòu)

水下結(jié)構(gòu)包含金屬固定架、透聲支架、透聲螺紋連接片、水聽(tīng)器固定螺紋桿、導(dǎo)流片如圖4所示。用不銹鋼做金屬固定架，一端設(shè)置成圓弧形叉頭，環(huán)抱并固定在水密電子艙外壁上，在不銹鋼金屬固定架另一端連接透聲支架一端，透聲支架另一端經(jīng)透聲螺紋連接片連接著導(dǎo)流片，同時(shí)透聲螺紋連接片通過(guò)螺紋固定連接螺紋桿，水聽(tīng)器通過(guò)固定螺紋桿連接到透聲螺紋連接片上；透聲支架與導(dǎo)流片采用透聲材料制作；水聽(tīng)器安裝于距離靶標(biāo)設(shè)備發(fā)射換能器0.5m～1m處；導(dǎo)流片采用仿生魚(yú)鰭設(shè)計(jì)，使得整個(gè)水下結(jié)構(gòu)在任何情況下都能保證處在順流方向并處于穩(wěn)定狀態(tài)，這樣有效克服了系統(tǒng)深度、距離和姿態(tài)上會(huì)隨流向和流速的改變而產(chǎn)生監(jiān)測(cè)誤差的問(wèn)題。

圖4 水下結(jié)構(gòu)示意圖

4 顯控軟件

LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）研制的一種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言環(huán)境，用圖形進(jìn)行編程。LabVIEW是一種框架結(jié)構(gòu)的編程語(yǔ)言，采用數(shù)據(jù)流程方式，程序里面的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。Lab-VIEW應(yīng)用廣泛，無(wú)論是工業(yè)界、學(xué)術(shù)界都有廣泛的應(yīng)用，是一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。

本文中便攜式計(jì)算機(jī)終端主要完成對(duì)CompactRIO嵌入式控制指令下達(dá)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳處理工作，終端顯控軟件LabView編程軟件編寫，顯控軟件下達(dá)控制指令主要有初始化系統(tǒng)參數(shù)、開(kāi)始采集、停止采集、數(shù)據(jù)保存等指令。初始化系統(tǒng)參數(shù)將CompactRIO嵌入式系統(tǒng)中各個(gè)信號(hào)處理程序中需要的初始值裝載于系統(tǒng)中等待系統(tǒng)開(kāi)始采集信號(hào)，通過(guò)將采集卡轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波等處理后打包信號(hào)上傳，通過(guò)人機(jī)交互界面，分別提取出原始信號(hào)、包絡(luò)信號(hào)和頻譜信號(hào)，同時(shí)對(duì)提取信號(hào)進(jìn)行編碼，然后送存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，顯控軟件數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要回放時(shí)，再由人機(jī)交互界面選擇數(shù)據(jù)回放功能后，通過(guò)人機(jī)交互界面選擇回放原始信號(hào)、包絡(luò)信號(hào)或頻譜信號(hào)，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期處理。其中信號(hào)處理顯示軟件提供了原始信號(hào)顯示窗口、包絡(luò)顯示窗口、頻譜顯示窗口。信號(hào)處理顯示軟件還提供了實(shí)時(shí)處理、顯示或保存水聲接收系統(tǒng)接收到信號(hào)的功能。

圖5 顯控軟件數(shù)據(jù)處理流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝和使用方便、適用范圍廣，能與海洋探測(cè)設(shè)備組合使用，能夠在較寬的頻帶內(nèi)，高精度定量分析處理被監(jiān)測(cè)對(duì)象信號(hào)頻譜、包絡(luò)等成份。導(dǎo)流片采用仿生魚(yú)鰭設(shè)計(jì)，使得整個(gè)水下結(jié)構(gòu)在任何情況下都能保證處在海洋中順流方向，處于穩(wěn)定狀態(tài)，確保監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)水下結(jié)構(gòu)深度、距離和姿態(tài)穩(wěn)定，減小監(jiān)測(cè)誤差?？杀O(jiān)測(cè)海洋環(huán)境噪聲、海洋探測(cè)設(shè)備主動(dòng)信號(hào)、艦船或魚(yú)類活動(dòng)噪聲，為深海與遠(yuǎn)洋探測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐，也可應(yīng)用于工作頻帶內(nèi)其他軍事領(lǐng)域水下武器、水聲設(shè)備信號(hào)監(jiān)測(cè)。