基于LabVIEW的應答式水聲定位系統目標模擬器＊

李 斌 趙 珩

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

應答式水聲定位系統［1］是潛艇試驗必須的測量設備，其任務是為水下潛艇提供精確導航定位，解決潛艇在水下不同工況條件下的航行機動性能參數測量問題。該系統可以在潛艇及有關的武器系統試驗中，實時地為潛艇導航定位，保障潛艇在水下試驗中能安全、可靠、協同地機動，是靶場重要的基礎測控設備。應答式水聲定位系統是預先在海底布設應答器基陣，試驗前測陣校準各陣元位置。水下潛艇上裝有水聲收發機，在同步信號的觸發下周期性地發射詢問聲信號，水下各應答器收到詢問聲信號后應答其相應頻率的應答信號，水聲收發機收到應答信號后，通過同步脈沖前沿測時測得“詢問—應答—接收”的雙程聲傳播時延［2］，即可確定潛艇到各應答器之間的距離，通過空間曲面交匯法解算出潛艇的空間坐標，從而實現潛艇實時自導航。為適應新的試驗任務，我們對應答式水聲定位系統軟件及陣型進行了改造，原有的模擬器只能通過模擬電信號進行調試，不能實現對系統的水聲調試，鑒于原有的模擬器升級改造難度大、代價高，本文Labview和VC作為軟件開發平臺，PXI4461采集卡等作為硬件平臺，開發虛擬信號模擬器，可模擬應答式水聲定位系統測陣、導航與定位監測的應答器的應答聲信號，在實驗室模擬還原整個研練保障測量過程。

虛擬儀器［5］VI（virtual instrument）這一概念最早是由美國國家儀器公司（NI）在20世紀80年代提出來的，它主要由計算機、虛擬儀器軟件及儀器硬件三部分組成。用戶可以通過修改軟件就能改變其功能。虛擬儀器是計算機技術和測量技術相結合的產物，它的出現給測量技術帶來了變革，相對于傳統儀器的物理面板，虛擬儀器具有一個十分友好的圖形方式軟面板。虛擬儀器應用軟件集成了信息采集、測試控制、數據分析、結果顯示輸出和用戶界面等功能，用軟件替代了部分或全部的硬件，因此可以認為軟件就是儀器，它是現代測試儀器系統的核心。

LabVIEW是虛擬儀器開發過程中最具代表性的圖形化編程語言［6］（G語言），它用圖標、連線和框圖代替傳統的程序代碼，可以形象地觀察數據的傳輸過程。LabVIEW是目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，它具有十分強大的功能，如數值運算、信號處理、數據分析、數據采集以及圖形獲取和傳輸等。LabVIEW程序是數據流驅動的，主要由三個部分組成，即前面板、框圖程序和圖標／接線端口。

2 應答式水聲定位原理

圖1 應答式水聲定位系統定位原理圖

試驗前在海底預先布設應答器基陣，在同步信號的觸發下，目標潛艇上加裝的水聲收發機周期性地發射測距詢問聲信號，水下各應答器收到詢問聲信號后應答其相應頻率的應答信號，水聲收發機收到應答信號后，通過同步脈沖前沿測時，測得“詢問—應答—接收”的雙程聲傳播時延，乘以聲速即可確定目標到各應答器之間的往返距離，從而得到空間橢球面交匯方程組，求解該方程組得出目標所處的位置，逐點定位解算得到目標的運動軌跡，由此為水下目標定位導航。

3 應答式水聲定位系統模擬器設計

利用LabVIEW和VC作為軟件開發平臺，PXI-4461作為硬件平臺，開發虛擬信號發生器，可模擬應答式水聲定位系統的絕對測陣、導航及定位監測的應答器聲信號，可以在實驗室對系統的試驗過程進行模擬還原，從而實現接近海試條件下的系統實驗室聯調和訓練。

3.1 模擬器系統硬件結構設計

模擬器主要由控制計算機和PXI-4461采集卡組成，控制計算機提供人機交互界面，設定應答信號的參數，信號發生器和控制計算機通過PXI總線進行通信，負責將控制計算機上LabVIEW軟件生成的信號數據轉換成模擬應答信號，在同步周期為8s的觸發信號下每次生成6組應答聲信號，通過發射換能器將信號發送出去。水聲收發機通過接收換能器接收模擬應答信號，并通過串口將數據發送給主控計算機，主控計算機上的長基線導航軟件根據接收的數據就可以繪出模擬目標的軌跡。

圖2 模擬器信號流程框圖

3.2 模擬器系統軟件結構設計

模擬器的軟件系統是在Windows XP的平臺上使用VC和LabVIEW 2010開發完成的，通過PXI總線實現控制計算機和信號發生器之間的命令和數據傳輸。

3.2.1 利用VC軟件進行模型設計

1）概述

利用VC軟件預先設定模擬目標的軌跡，本軟件中根據設計需要，模擬布放了10個應答器，模擬目標的軌跡如圖3所示。

2）時延數據生成

VC編寫的程序可以修改各應答器、浮標、目標就位點、測量周期、目標航速等參數，考慮到最大模糊周期的問題，所取時延值要去最大值，應答器的編號代表了每個應答器發射的頻率，根據設定的軌跡，通過求反解，本程序所得的時延值如表1所示：

圖3 模擬目標預先設計的軌跡

表1 生成的時延數據

3.2.2 信號生成模塊

利用LabVIEW語言編寫程序，以NI PXI-4461采集卡為硬件平臺，LabVIEW程序根據上面VC程序生成的時延數據和應答器的編號，產生相應頻率的應答器的模擬應答聲信號。產生的模擬應答聲信號通過換能器可以和水聲收發機進行水聲通信。信號生成模塊的軟件系統主要由以下幾部分組成：

1）前面板設計

LabVIEW的前面板，即交互式界面［3］，用于設置輸入數值和觀察輸出量，在前面板中，使用了各種圖標如開關、實時趨勢圖等來模擬真實儀器的面板，并可如同操作實際儀器一樣方便地調節輸入參數和進行輸出模式定制。本文中前面板的設計，充分發揮了LabVIEW的特長，即建立了友好的人機操作界面，實現的功能主要有以下幾點：

·軟件系統在啟動后首先將信號發生器初始到如下狀態：系統數采樣率為204ks／s，采樣周期為8s；

·應答聲信號的強度可調，大小為0－1V；

·每8s同時產生6組應答信號；

·模擬目標的軌跡開始周期可調；

·程序的前面板可顯示每組應答聲信號的頻率。

2）程序模塊設計

本實驗系統的框圖程序可分為數據讀取、數據分析、信號生成和顯示三個主要模塊。

數據讀取：編寫讀取文本文件，讀取模擬應答聲信號的頻率和時延值。

信號生成和顯示部分：根據設計需要，同步周期設為8s，每個周期生成6組應答信號，利用LabVIEW的采集生成模塊進行編寫，并通過采集卡將聲信號發送給換能器。

4 實驗室試驗結果

利用水聲收發機和PXI-4461采集卡搭建好的硬件平臺，通過操作模擬應答器軟件產生應答聲信號，長基線導航軟件根據接收的模擬應答器聲信號定出了目標的軌跡，比較圖3和圖4的軌跡可知，測得的軌跡和我們預先設定的軌跡吻合，證明通過模擬器產生的應答聲信號符合我們的設計要求，可模擬應答式水聲定位系統的絕對測陣、導航及定位監測的應答器聲信號，可以在實驗室對系統的試驗過程進行模擬還原，從而實現接近海試條件下的系統實驗室聯調和訓練。

圖4 通過系統聯調所得的模擬目標軌跡

5 結語

本文詳細地論述了一種基于LabVIEW的應答器水聲定位系統目標模擬器設計方案及有關的設計結果。本系統已用于實際工作中，為在實驗室仿真整個演練保障過程提供了很大的幫助。系統模塊化的硬件和軟件設計模式使得系統具有很強的擴展性和適用性，為以后的工作打下了一個很好的基礎。

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