基于虛擬儀器的海洋環(huán)境水下電磁場觀測系統(tǒng)設(shè)計

田 稷

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引言

近年來，隨著武器裝備的發(fā)展與海洋開發(fā)的深入，對海洋環(huán)境的重視程度越來越高。尤其是海洋中的環(huán)境電磁場，對海洋開發(fā)及武器裝備的研究都有著重要的影響。

海洋中的環(huán)境電磁場，一方面有著重要的科學研究價值和顯著的經(jīng)濟效益。例如大地電磁場可用于海洋石油勘探以及深部地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查;海水流動產(chǎn)生的電磁場可用來研究海水各種運動 (海水表面長波、內(nèi)波、潮汐和海流等)。但另一方面，海洋環(huán)境電磁場卻是軍事應用的干擾源，影響到海軍武器裝備的實戰(zhàn)性能，甚至使武器在海戰(zhàn)中失效。另外，海洋環(huán)境電磁場是水中目標電磁場探測以及艦船電磁場隱身測試的干擾源，降低了遠程探測能力和測試數(shù)據(jù)的精度。

由于海洋中存在多種環(huán)境電磁場，既有包括大地電磁場、海流和海洋波浪產(chǎn)生的天然電磁場，也有高壓輸電線、交通工具、工廠、碼頭電機作業(yè)所產(chǎn)生的人為因素的電磁場。通過建立合適的海洋環(huán)境電磁場觀測系統(tǒng)，可以進行長期的環(huán)境電磁場觀測，獲取有效數(shù)據(jù)，結(jié)合海洋溫度、深度、鹽度及洋流等其他環(huán)境信息來開展海洋環(huán)境電磁場特性的分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計概述

本系統(tǒng)是基于對海洋環(huán)境水下電磁場的觀測建立的，針對海洋電磁場的環(huán)境特征，通過建立觀測方法，并結(jié)合系統(tǒng)的布放和觀測條件進行系統(tǒng)設(shè)計。主要遵循以下原則:

1)智能化。靈活多樣的測量方式，因為水下多種物理場對采樣率、采樣精度的要求不同;快捷、方便的采集軟件，利于程序員調(diào)試、測量人員操作;

2)小型化。為了方便海上實測、布放的需要，以及對于水密艙的設(shè)計需要，小型的采集系統(tǒng)將是首選。

結(jié)合以上設(shè)計原則，本文采用NI的虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。在虛擬儀器中，將信號的采集與系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的分析與處理、結(jié)果的顯示與輸出功能模塊部分或全部由計算機來完成。可以用功能強大的計算機軟件來代替某些傳統(tǒng)的測量儀器，從而大大減少設(shè)備量和成本，與傳統(tǒng)的測量方法相比具有高性價比、簡潔、方便、靈活等特點。

同時，系統(tǒng)采用有纜方式，這樣可以實時進行信號的觀測、存儲與處理，并對系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)控。由于試驗海域距離觀測站距離較遠，傳統(tǒng)的電纜傳輸遇到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，采用光纜傳輸，可以有效解決此問題。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件組成包括水下電子艙、岸站測控終端、數(shù)據(jù)傳輸模塊等3部分。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

1)水下電子艙組成

水下電子艙集成有傳感器、信號調(diào)理模塊、采集器、環(huán)境測量傳感器等幾部分。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

電場傳感器和磁場傳感器采用三分量測量方式，通過信號調(diào)理，將電磁場信號分為多個頻段進行采集。采集器分別對電磁場的直流、交流信號進行采集，再通過網(wǎng)絡(luò)將原始信號輸出，利用溫度傳感器、深度傳感器和姿態(tài)傳感器，對系統(tǒng)布放的環(huán)境參數(shù)及姿態(tài)信息進行測量，將溫度、深度、姿態(tài)的原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)輸出。

采集器是觀測系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)采用NI Compact RIO模塊，主要由控制器 (NI 9014)、機箱 (NI 9103)和采集板卡 (NI 9234)組成。

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2)岸站測控終端

岸站測控終端包括1臺計算機及系統(tǒng)供電電源。計算機運行基于LabVIEW編寫的上位機程序，對海洋的環(huán)境電磁場數(shù)據(jù)進行實時觀測，并實現(xiàn)對觀測系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)存儲、回放等功能。

3)數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由光電復合纜、光電轉(zhuǎn)換模塊組成。在水下電子艙內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換模塊，將網(wǎng)絡(luò)的電信號，轉(zhuǎn)換為光信號通過光電復合纜，傳輸回岸站測控終端，再由終端的光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)電信號，通過網(wǎng)線送入計算機內(nèi)，實現(xiàn)觀測系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)的供電，通過光電復合纜的電纜進行傳輸。

3 觀測系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，系統(tǒng)軟件的開發(fā)與設(shè)計應用基于NI的LabVIEW8.6.1。采用模塊化設(shè)計，利于軟件的更新、功能擴展等。軟件主要完成以下功能:

1)數(shù)據(jù)采集功能，包括電磁場數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、深度數(shù)據(jù)的采集等。

2)系統(tǒng)控制，包括系統(tǒng)采集控制，數(shù)據(jù)存儲控制，采樣率設(shè)置等。

3)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，包括系統(tǒng)的姿態(tài)信息、通訊狀態(tài)等。

程序設(shè)計的架構(gòu)，基于NI硬件完成，主要包括FPGA內(nèi)的驅(qū)動程序、控制器內(nèi)的下位機程序及岸站測控終端計算機的上位機程序等3部分，實現(xiàn)系統(tǒng)的采集與控制功能，如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)功能模塊示意圖Fig.3 The sketch map of the software system function module

系統(tǒng)FPGA內(nèi)的硬件驅(qū)動模塊驅(qū)動NI9234采集卡，通過下位機內(nèi)的采集模塊，進行系統(tǒng)的采集工作。

系統(tǒng)加電運行時，下位機的網(wǎng)絡(luò)運行模塊開始自動運行，等待上位機網(wǎng)絡(luò)模塊的握手動作，當上位機軟件運行并與下位機握手之后，網(wǎng)絡(luò)建立，利用網(wǎng)絡(luò)模塊實時傳輸系統(tǒng)的控制命令與采集信號、監(jiān)控信息等數(shù)據(jù)。

當網(wǎng)絡(luò)建立后，下位機采集模塊通過接收上位機的控制信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工作。

控制模塊實時發(fā)送系統(tǒng)的控制命令，控制命令包括采集的開始、停止，系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)，下位機重啟，數(shù)據(jù)存儲，程序退出等。

當控制模塊設(shè)置系統(tǒng)為采集狀態(tài)時，下位機開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示、存儲模塊通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊實時接收到下位機采集的數(shù)據(jù)，進行顯示，通過存儲控制開關(guān)，選擇對環(huán)境信號進行監(jiān)測或者記錄的工作狀態(tài)。

在控制模塊設(shè)置系統(tǒng)為監(jiān)控狀態(tài)時，狀態(tài)監(jiān)控模塊實時獲取下位機的姿態(tài)、水深等信息，并進行顯示。

具體程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 The flow chart of program

4 結(jié)語

海洋環(huán)境水下電磁場觀測系統(tǒng)，采用虛擬儀器測試技術(shù)，基于LabVIEW軟件進行程序設(shè)計開發(fā)，系統(tǒng)功能指標達到了設(shè)計要求，并在試驗海區(qū)內(nèi)進行了1年左右的海洋環(huán)境電磁場的觀測，獲取了大量的實測數(shù)據(jù)，為進一步的海洋環(huán)境水下電磁場特性研究提供了參考。

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