水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法

楊天開(kāi)

（中船重工第七一五研究所 浙江省杭州市 310000 ）

現(xiàn)代水聲探測(cè)工作有著體積小、活動(dòng)流域廣的技術(shù)要求，相應(yīng)的，其探測(cè)時(shí)間縮短，造成目標(biāo)回波強(qiáng)度明顯下降，增大水聲探測(cè)難度。進(jìn)行水聲探測(cè)器測(cè)試，傳統(tǒng)模式是利用示波器檢測(cè)其信號(hào)源，雖然這種模式能獲得準(zhǔn)確結(jié)果，但其造價(jià)過(guò)高，且測(cè)試過(guò)程中需要進(jìn)行的項(xiàng)目過(guò)多，檢測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)。

1 水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)工作原理

水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)中，應(yīng)用接收機(jī)組件、發(fā)射機(jī)組件，區(qū)別于原始的“標(biāo)準(zhǔn)度”與“分辨率”進(jìn)行信號(hào)觀察，信號(hào)傳遞過(guò)程中是較為平穩(wěn)的，但在細(xì)節(jié)處的不連續(xù)性表現(xiàn)的也比較明顯。這種分辨率的特殊化，是水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)工作完成信號(hào)傳遞的基本特征，需要D/A、A/D、DI/O、CAN 接口、單刀開(kāi)關(guān)、多路復(fù)用開(kāi)關(guān)等多個(gè)設(shè)備配合應(yīng)用，如圖1 所示。進(jìn)行水聲探測(cè)器測(cè)試不僅需要看到整體信號(hào)的情況，又要分辨出隱藏于信號(hào)中的細(xì)節(jié)，并且可以通過(guò)將函數(shù)持續(xù)時(shí)間縮短，來(lái)保障整體信號(hào)強(qiáng)度的連續(xù)性；同時(shí)設(shè)立一定持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的特殊信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同分辨率的信號(hào)分析應(yīng)用。這種通過(guò)構(gòu)造持續(xù)時(shí)間很短的高頻基函數(shù)和持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)低頻基函數(shù)，能夠有效發(fā)揮回波信號(hào)傳遞中的作用，并且作為一種多尺度的信號(hào)交流方式，其將不同時(shí)間尺度的正交分量疊加[1]。

其中，D/A 設(shè)備主要是進(jìn)行水聲目標(biāo)回波信號(hào)模擬，通過(guò)不同頻率、幅度、回波延時(shí)，模擬不同頻率的輻射噪聲，并分別傳輸給接收機(jī)組件輸入通道。DI/O 設(shè)備主要是進(jìn)行數(shù)字機(jī)組件輸出信號(hào)采集工作，將其作為接收機(jī)的激勵(lì)信號(hào)。CAN 通信設(shè)備主要是進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)收發(fā)工作，通過(guò)模擬水下環(huán)境中各個(gè)系統(tǒng)之間的信號(hào)，完成信息交互。單刀雙擲開(kāi)關(guān)能夠完成不同電源供電，而多路復(fù)用開(kāi)關(guān)則是用于切換信號(hào)采集通道。

2 水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)模型建立環(huán)節(jié)，需要考慮到測(cè)試系統(tǒng)自身的耦合度，針對(duì)不同信號(hào)頻率狀態(tài)建立不同的數(shù)學(xué)模型，在非線性控制及多個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)中，精準(zhǔn)構(gòu)建信號(hào)控制規(guī)律。測(cè)試系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可能受到一定專(zhuān)業(yè)因素限制，因此需要對(duì)水聲探測(cè)器參數(shù)信息進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化學(xué)科分析，從而保證總體模型設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，涉及到機(jī)箱、采集卡、不同用途開(kāi)關(guān)等多個(gè)項(xiàng)目，現(xiàn)階段PXle總線比PXI總線在寬帶傳輸及兼容性上有著明顯優(yōu)勢(shì)。水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)是多種信息參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞方式的集合體，基本涵蓋了數(shù)據(jù)傳遞、氣動(dòng)分析、幾何處理組件等軟件工具集成，完成信號(hào)傳輸間的交互處理。在常規(guī)信號(hào)被處理分化為多個(gè)分辨率信號(hào)后，各離散信號(hào)代表了不同的原始信號(hào)強(qiáng)度，并且這些信號(hào)還伴隨著一定的峰狀信號(hào)點(diǎn)。將這些頻率峰值進(jìn)行計(jì)算，區(qū)別于高分辨信號(hào)成分，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的優(yōu)化處理。而對(duì)于顏色重疊的色譜峰，究其根本其實(shí)就是不同成分色譜信號(hào)的疊加組成，其相較于普通型號(hào)而言，存在更多元化的信號(hào)變化處理模型[2]。

圖1：水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)原理

圖2：水聽(tīng)器信號(hào)處理系統(tǒng)工作流程

3 水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 接收機(jī)信號(hào)參數(shù)模擬

接收機(jī)測(cè)試軟件要模擬回波參數(shù)，對(duì)接收機(jī)組件上的增益進(jìn)行控制碼設(shè)定，并加載混頻信號(hào)完成模擬回波調(diào)制。實(shí)際測(cè)試環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將接收機(jī)的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，閉合第一通道開(kāi)關(guān)，進(jìn)行模擬信號(hào)加載，可以利用接收機(jī)將信號(hào)幅度及頻率函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在這個(gè)過(guò)程中，信號(hào)幅度的有效值不斷增大，只需要找到最值函數(shù)，就能夠獲得不同水聲信號(hào)的序號(hào)。利用自功率譜函數(shù)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，完成該通道測(cè)試后，切換多路復(fù)用開(kāi)關(guān)進(jìn)行下一通道測(cè)試模擬，直至所有通道測(cè)試完畢。在接收機(jī)信號(hào)模擬過(guò)程中，其所傳遞數(shù)據(jù)包含了參數(shù)、頻率、頻寬等各個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)了其存在的資源整合。可以利用該技術(shù)，整合龐大的水聲探測(cè)數(shù)據(jù)信息及數(shù)據(jù)覆蓋面，加強(qiáng)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交流，利用接收機(jī)信號(hào)模擬，完成對(duì)相關(guān)信息的整理利用。它可以將各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合，使得數(shù)據(jù)信息集中，形成更為多元化的參數(shù)形式，順應(yīng)了水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)要求的同時(shí)，促進(jìn)相關(guān)數(shù)據(jù)的方便、快捷利用。想要更好地利用模擬數(shù)據(jù)整合，進(jìn)行接收機(jī)信號(hào)管理，不僅需要有效解決內(nèi)存和DI/O 等硬件瓶頸問(wèn)題，更可以借助現(xiàn)代化科技的輔助，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)信號(hào)的精準(zhǔn)化提取，形成相對(duì)自動(dòng)化的測(cè)試體系。

3.2 數(shù)字機(jī)組件信號(hào)識(shí)別

在水下環(huán)境中存在著大量的沉積巖，其中的微量放射元素含量存在著一定的差異性，通過(guò)數(shù)字機(jī)組件信號(hào)識(shí)別對(duì)不同環(huán)境中的微量元素情況進(jìn)行探測(cè)，再根據(jù)探測(cè)結(jié)果根據(jù)一定指標(biāo)進(jìn)行分析，就能夠?qū)崿F(xiàn)水下反射元素信號(hào)識(shí)別需求。數(shù)字機(jī)組件測(cè)試軟件流程與接受機(jī)組件測(cè)試軟件流程相差無(wú)幾，都能夠提高對(duì)信號(hào)檢測(cè)的強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)放射性元素的差異性進(jìn)行物質(zhì)分析，區(qū)別在于激勵(lì)信號(hào)加載為輸出信號(hào)及激勵(lì)命令。通過(guò)放射性元素檢測(cè)來(lái)對(duì)水淹層進(jìn)行模擬識(shí)別，進(jìn)一步完善信號(hào)處理定位作業(yè)，由于自然伽馬射線自身存在一定的放射性，會(huì)對(duì)人體及模擬環(huán)境造成一定傷害，所以操作人員要應(yīng)用了Database Edior 的方法，并對(duì)水聽(tīng)器進(jìn)行清理作業(yè)，保證整個(gè)水下數(shù)字機(jī)組件信號(hào)識(shí)別作業(yè)的安全性。利用Database Edior創(chuàng)建Database 文件，其中CAN 幀格式、幀ID、信號(hào)長(zhǎng)度等參數(shù)都可以直接進(jìn)行配置。一般情況下，數(shù)字機(jī)組件使用單位都會(huì)有一只專(zhuān)業(yè)水平較高，結(jié)構(gòu)較為完善的設(shè)備維修診斷團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)日常工作中數(shù)字化設(shè)備的維修、護(hù)理工作。在參數(shù)模擬環(huán)節(jié)若出現(xiàn)意外故障，應(yīng)對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)記錄，與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，降低再次發(fā)生故障的可能性，提高問(wèn)題解決效率，避免因設(shè)備故障影響水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)軟件工作效率[3]。

3.3 水聽(tīng)器信號(hào)處理系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)的水聽(tīng)器信號(hào)處理系統(tǒng)供電不穩(wěn)定，這部分故障信息是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不可避免的環(huán)節(jié)，但通常幾分鐘后便可復(fù)原，因此這部分信息不需要進(jìn)行處理。水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)中的DI/O 設(shè)備能夠產(chǎn)生震動(dòng)波，在經(jīng)過(guò)反射后形成S 波與P 波，并在接收機(jī)的作用下進(jìn)行電信號(hào)處理。由于P 波在水中的傳播會(huì)造成一定的水壓浮動(dòng)變化，水聽(tīng)器在這種變化作用下會(huì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集作用，如圖2 所示。這種方式的信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)在于，它能夠保證所受到70%以上的反饋信號(hào)都是水聲信號(hào)處理時(shí)產(chǎn)生的信息，并且對(duì)測(cè)試系統(tǒng)模擬環(huán)境，具備一定的阻隔作用。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)水下電纜進(jìn)行電信號(hào)輸送時(shí)，能夠?qū)⑵涔潭ㄔ谟涗泿?kù)上，這部分電信號(hào)由Atmega128 單片機(jī)和ltc1606 采集芯片組成。該地區(qū)水聲資源信息收集系統(tǒng)是利用水聽(tīng)器數(shù)據(jù)，在RS232串口的幫助下，將數(shù)據(jù)信息傳到上位機(jī)，并由Labwindows 產(chǎn)生信號(hào)圖形界面，幫助進(jìn)行小波濾波算法計(jì)算，形成相應(yīng)的信號(hào)對(duì)比，完成資源信號(hào)分析。在進(jìn)行水聽(tīng)器信號(hào)處理時(shí)，要將信號(hào)中的高頻部分進(jìn)行提取，并使其脫離重疊狀態(tài)，分量進(jìn)行信號(hào)解析。常規(guī)小波變換多組重疊信號(hào)解析普遍為三個(gè)環(huán)節(jié)，其一，通過(guò)離散方式，將多組接收機(jī)模擬信號(hào)進(jìn)行解析，使其成為離散逼近C(j)和離散細(xì)節(jié)D(j)；其二，在所有D(j)項(xiàng)目中，分別選取其中分辨率較高的離散細(xì)節(jié)D(k)，保證這個(gè)D(k)的倍數(shù)要高于1，且重組后其分辨率信號(hào)較高，能夠直接應(yīng)用于D(k)的項(xiàng)目信號(hào)研究。

3.4 發(fā)射機(jī)組件軟件設(shè)計(jì)

在水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)軟件中，發(fā)射機(jī)組件測(cè)試主要是檢測(cè)負(fù)載箱輸出，由于此輸出為一段短調(diào)制脈沖信號(hào)，當(dāng)信號(hào)加載完成后進(jìn)行輸出。由于有效信號(hào)和隨機(jī)噪聲在不同尺度上進(jìn)行分解時(shí)存在著不同的傳遞特性和表現(xiàn)特征，利用超聲波的反射原理實(shí)現(xiàn)對(duì)井下情況進(jìn)行探測(cè)，系統(tǒng)中發(fā)射的超聲信號(hào)在接觸到信息后會(huì)發(fā)射回來(lái)，經(jīng)過(guò)通道觸發(fā)采集的處理將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，工作人員再通過(guò)對(duì)電信號(hào)的分析了解水聲信號(hào)實(shí)際情況。實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，其信號(hào)分解算法如下：首先，發(fā)射機(jī)組件激勵(lì)信號(hào)為方波信號(hào)，通過(guò)對(duì)不同信號(hào)的優(yōu)化分析，確定其適合的基小波，并構(gòu)造相應(yīng)的優(yōu)化分解層次；其次，Daubechies 小波的重要特質(zhì)就是其不僅是連續(xù)和正交的信號(hào)類(lèi)型，更是支集最小的信號(hào)狀態(tài)，因此在進(jìn)行相應(yīng)的油井探測(cè)噪聲小波分解時(shí)，需要利用分解與重構(gòu)算法進(jìn)行計(jì)算；再次，為保證整體信號(hào)不發(fā)生變化，在信號(hào)輸出過(guò)程中要保留所有的低頻系數(shù)，也就是將不同噪音層對(duì)應(yīng)下的小波系數(shù)與相應(yīng)的閾值λ 進(jìn)行比較，獲得該點(diǎn)與閾值的差；最后，完成最后的信號(hào)變換，得到最底層信號(hào)后，經(jīng)過(guò)各層高頻處理，得出信號(hào)輸出正常與否，并將線程關(guān)閉。

3.5 水聲探測(cè)器測(cè)試計(jì)算

美國(guó)斯坦福大學(xué)的Donoho 和Johnstone 教授，在高斯白噪聲基礎(chǔ)上，完成了水聲信號(hào)處理算法，并將這種算法稱(chēng)為“WaveletShrinkage”。它是CAN-FD 總線結(jié)合水聲檢測(cè)安全機(jī)制，形成的報(bào)文幀結(jié)構(gòu)形式，能夠保證10Mbps 通信速率以下的64 字節(jié)信息傳輸需求。常規(guī)水聲探測(cè)器信號(hào)處理要具備輕量級(jí)要求，在有限的硬件資源管理作用下，進(jìn)行水下通信傳輸運(yùn)算，其自身要具備一定的防破解能力，避免出現(xiàn)信號(hào)處理誤差，且發(fā)射機(jī)信息中的報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)中的字節(jié)數(shù)應(yīng)高于最小加密塊數(shù)量。可以使用AES 加密算法，其在數(shù)據(jù)計(jì)算環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)對(duì)稱(chēng)計(jì)算，即雙方運(yùn)輸數(shù)據(jù)同時(shí)計(jì)算，具備傳輸計(jì)算時(shí)間較短、兼容性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，在某些頻段中的水聲信號(hào)頻率更接近于Rayleigh 分布，而零均值、窄帶高斯分布的峰值分布也是Rayleigh 分布。在水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)處理工作中，可以將其信號(hào)分布看為高斯型分布，結(jié)合接收機(jī)參數(shù)的變化，將整體信號(hào)處理視為零均值高斯水下信號(hào)變換過(guò)程[4]。

4 結(jié)論

通過(guò)虛擬化群集服務(wù)器技術(shù)，在保證信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，建立較為全面的水聲探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器的自動(dòng)化安全管理。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用建設(shè)發(fā)展，各類(lèi)開(kāi)關(guān)切換等測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域里常用功能單元設(shè)計(jì)，為水聲探測(cè)器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)提供參考。