基于 LabVIEW 系統的水聲測向方法設計

潘云龍，廖小滿（大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013）

基于 LabVIEW 系統的水聲測向方法設計

潘云龍，廖小滿
（大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013）

LabVIEW 是 NI（美國國家儀器）公司推出的一種虛擬儀器系統，包括圖形化的可編程語言及多元化的硬件設備。基于該系統的水聲信號采集系統常用于水聲應用中。本文結合常用的互功率譜測向方法與 LabVIEW虛擬儀器系統，分別設計基于標量水聽器和矢量水聽器的水下聲源測向方法。基于 LabVIEW 虛擬儀器系統的設計可以提高開發靈活性，縮短開發周期并減少開發復雜度。通過驗證基于虛擬儀器系統在互譜測向應用中的可行性，為未來開發水下設備提供一個新的思路。

LabVIEW；測向；互功率譜

0　引 言

水下聲學中，經常會涉及到一些水聲測向方面的設備，這些設備多是基于水聽器來進行測向。有時候有些設備還會要求到實時或者準實時處理接收到的水聲信號，如為水聲信號濾波。因此水聲應用往往要涉及到很高的硬件處理性能，如現在比較流行的FPGA和 DSP 等。但對于不同要求的設備，需要特殊定制相關硬件，可能會導致開發的周期加長，并且后續的相關調試也是一個可能存在的大問題。

目前常用的水聽器分為標量水聽器和矢量水聽器。對于標量水聽器來說，可以使用2個標量水聽器，采用互功率譜法測向［1］。該方法首先對2路水聲信號進行采樣 ，得到2組離散的數據 ，然后利用互相關原理對這2組數據進行處理，求出2組數據的互功率譜，這其中包含2信號相位差的信息，通過2組信號的相位差就可以計算出水聲信號源的方向［2］。

對于矢量水聽器來說，其根據自身的結構可以同時獲得水聲信號的壓強以及振速，利用聲壓以及振速信息可以計算出目標方位［3］。該方法是將矢量水聽器的X，Y以及 P 通道的信號采樣，根據3組信號，采用互功率譜的方法計算水聲信號的方向。

LabVIEW 是美國國家儀器公司推出的一套虛擬儀器，包括相應的軟硬件產品。其可以搭建實驗驗證演示系統，甚至直接使用其開發產品，完成項目工程中的應用。而對于其軟件來說，圖形化的編程語言可以方便快速的開發程序，并且其硬件產品可以滿足常用應用。

本文將 LabVIEW 系統應用于水聲測向中，利用互譜測向算法，分別基于標量水聽器和矢量水聽器，計算采集到的聲源方向。驗證基于 LabVIEW 虛擬儀器系統在水聲應用中的可行性，為未來水下設備開發及水下項目實施提供一個新的思路。

1　基于 LabVIEW的標量水聽器測向

1.1標量水聽器測向原理

本設計是基于標量水聽器測向，其方法是利用雙路標量水聽器采集信號，并計算采集到的信號間相位差，計算相位差的方法主要是利用兩信號的互功率譜的虛部和實部可以表示信號間的相位差，進而推算出信號間時延，求得信號方向。其原理如圖1所示。

圖1　雙路標量水聽器互功率譜測向原理Fig.1　Principle of cross-power spectrum direction detecting for two channel scalar hydrophone

圖1中 S1和 S2為兩路標量水聽器，s1和 s2分別為到達水聽器 s1和 s2的水聲信號，角度 α為水聲信號與水聽器連線間的夾角，也就是聲源的方向，d為兩路水聽器之間的距離。信號從遠處到達水聽器 S1和 S2，可以將其看作是平行的兩路信號，因為其與水聽器間連線方向具有 α 角度的相位差，因此水聲信號 s1和 s2到達水聽器就會有一個時間差 τ，體現在水聽器接收到的兩路相同的信號上會有一個相位差。其公式為：d × cosα=τ × c。其中 c為水聲聲速，因此可知 α=cos-1（τ × c ÷d），因此可以計算出聲源的方向 α。其中d 與 c已知，只需要計算出 τ 即可。τ為2路信號的時間差，可以轉換到2組信號的相位差上，因此求得 s1與 s2的相位差即可計算出時延 τ，進而計算出聲源方向 α。而對于相位差來說，可以采用互功率譜的方法求得。互功率譜簡稱互譜，它反映了2個信號中共同的頻率成分。互功率譜為復頻譜，包括模和相角2部分，模的大小等于2個信號中共同頻率分量幅值乘積的1/2，相角等于它們的相位差［4］。互功率譜計算公式如下：

式中：Rxy（τ）為信號 X 與 Y的互相關函數。離散化后等效為：

因此可求出兩信號相位差：

實際計算中需要找出頻譜中幅度值最大的位置來計算，這樣才是實際的水聲信號的相位差，頻譜幅度最大值的地方才是信號的頻率，采用該點計算出的相位值為水聲信號的相位差值。但這要保證信號和噪聲具有一定信噪比的前提下，如果信號和噪聲的信噪比很小，那么計算的頻譜會有很多尖峰，則無法保證所找到的頻率為信號的頻率［5-6］。因此為提高信噪比，要加入濾波算法。LabVIEW 系統配合其硬件系統，可以實現硬件濾波的效果。這里的硬件系統采用 PXIE-1071，其內部含有一顆 FPGA 芯片，包含了數個 DSP的IP 核，通過 FIR 濾波器算法和 DSP 核可以實現逐點濾波的效果，大大提升了濾波運算的速度［7］。逐點濾波即為可以將采樣到的信號實時濾波，每采樣到一點立即和之前的n-1 點進行 n 點的FIR 濾波運算，在下一個采樣之前可以返回濾波后的信號，相當于實時濾波運算。利用濾波后的信號值可以大大提升計算的準確性。

1.2具體實施方法：

1.2.1濾波器設計實現

首先，根據信號和噪聲的特性，計算出 n階的FIR濾波器系數，并將系數導入到 LabVIEW的FIR 濾波器生成器中，如圖2（a）所示。再將采集到的信號連入到生成的FIR 濾波器 IP 核中，其輸出信號即為所要求的濾波后信號，如圖2（b）所示。

圖2　基于 LabVIEW的FIR 濾波器實現Fig.2　Implementation of FIR filter based on LabVIEW

圖2所示為基于 PXIe-1071的FPGA的硬件濾波器，利用其硬件 DSP 核來進行濾波可以提升運算速度，減輕上位機 CPU的運算壓力。DSP的FIR 濾波運算采用64 點或者 128 點較好，因為根據現在的硬件性能，如果采用太長階數的FIR 濾波器來計算，那么沒有辦法在下一個采樣點到來之前返回濾波后的信號值。如果濾波器階數太短，那么濾波的效果不會達到要求。

1.2.2互功率譜測向實現

互功率譜測向算法在 PXIE-1071的處理器上實現，采用高性能處理器運算，在算法實現的靈活度上要好于在 FPGA 端實現，并且該方式更易于修改程序。主要程序如圖3所示。

圖3　互功率譜測向算法的LabVIEW 實現Fig.3　Implementation of direction detecting algorithm with cross power spectrum on LabVIEW

圖3中 ch1和 ch2 表示2路水聽器采集到的信號，該信號已經經過硬件實時的FIR 濾波器濾波，每組通道可以取任意長度，但是后面的運算會使用到 FFT 運算，因此為了充分利用硬件，最好每組通道采用 2的整數次冪的長度的信號，通常可以使用 1024 或者 2048長度的信號［8］。

1.3驗證

驗證方式采用兩個標量水聽器，將標量水聽器分別接到 LabVIEW 系統的兩路模擬輸入通道上，2個水聽器中心間距為 0.05m，聲源信號為 3 kHz的脈沖信號，采樣率為 100 Ksample/s。聲源在水池中的固定位置，通過轉動標量水聽器來模擬聲源在不同方向。程序運行如圖4所示。

圖4　標量水聽器互譜法測向程序運行圖Fig.4　Running chart of direction detecting program for scalar hydrophone with cross spectrum method

圖4所示為雙標量水聽器采集到的信號，經過上述方法計算后的聲源方向。經過測量后發現，實際測量精度隨信號的信噪比上升而上升。在測驗中信噪比為 20dB 時，在 120° 開角范圍內誤差約為 1°～3°。該系統運行穩定良好，并可以根據需求靈活的改變程序以測試不同算法的優缺點。

2　基于 LabVIEW的矢量水聽器測向

2.1矢量水聽器測向原理

單矢量水聽器共有：聲壓信號 x，y以及振速信號p 3路信號。矢量水聽器基于自身的結構可以采用復聲強器計算接收到的水聲信號的方向，其本質也是互功率譜測向的一種。首先要對矢量水聽器的聲壓 Vx（t）和 Vy（t）以及振速 Vp（t）進行傅里葉變換，得到相應的譜 X（ω），Y（tω）以及 P（ω），則其每路聲壓信號分別與振速信號的互功率譜為：

其中水聲信號的能量主要集中在互功率譜的實部，通過因此基于單矢量水聽器的水聲信號的測向公式為

同理，為了保證測向的效果，需要為每一路信號進行濾波。

2.2具體實施方法：

2.2.1濾波算法

矢量水聽器的濾波同標量水聽器的濾波方式相同，也是根據水聲信號的特性以及噪聲信號的特性設計 n 點的FIR 濾波器，不過對于一個矢量水聽器來說，需要為其的3個通道分別濾波。

2.2.2測向算法

測向算法基于上述公式在高性能處理器端實現，這樣設計比較靈活，而且易于實現。其 LabVIEW 程序如圖5所示。

圖5　矢量水聽器測向算法Fig.5　Implementation of vector hydrophone direction detecting algorithm based on LabVIEW

圖5中 vx，vy，vp 分別表示矢量水聽器的3個通道，每組通道長度取 1 024個點，因為這樣是 2的整數次冪，在運算時可以充分利用水聲信號，而不用通過補零來計算，減少了通過補零帶來的誤差。

2.3驗證

驗證方式采用單矢量水聽器，3個通道分別輸入到LabVIEW 系統的3個 AD 通道。水下聲源為 3 kHz 單頻聲源，固定于水池中，通過轉動矢量水聽器來模擬不同方向聲源。程序運行如圖6所示。

圖6　矢量水聽器測向程序運行圖Fig.6　Running chart of direction detecting program for vector hydrophone with cross spectrum method

圖6所示為矢量水聽器測向程序，圖中可以顯示所采集到的信號，并且計算出了信號頻譜。通過實驗觀察發現，程序運行在 120° 開角范圍內誤差約為1°～4°，誤差稍大是因為矢量水聽器有指向性，這個可以通過后續的算法來進行修正。通過使用該設計，可以快速搭建實驗平臺，將重心更多的放在算法的設計上，這也是使用該系統的初衷之一。此外該系統軟硬件運行穩定可靠。

3　結 語

本文將 LabVIEW 虛擬儀器系統應用于水聲測向領域中，結合了互譜測向方法，分別對標量水聽器和矢量水聽器進行了驗證。使用該設計最大的優點是結合了LabVIEW 系統的硬件，完成了硬件的實時 FIR 濾波，縮短了信號的處理時間。此外還具有開發周期短、硬件設備可靠、程序設計靈活簡便、整體系統具有可多次反復開發的優點。但是不得不提的是，因為LabVIEW的硬件系統是定型的，因此在使用中其體積、功耗以及便攜性上都具有一定的限制。因此是否使用虛擬儀器需要綜合考慮。

［1］KHAIL I A，DURAID F M.Design of wideband radio direction finder based on amplitude comparison［J］.Al-Rafidain Engineering，2011，19（5）：77-86.

［2］TIAN Tan.Sonar technology ［M］.2010 ：46-62.

［3］CHEN Tao，HAN Qiang-qiang，LIU Lu-tao，et al.Improved wide-band direction finding algorithm based on cross-spectr ［J］.Systems Engineering and Electronics，2014 （5）：879-883.

［4］LIN Jing，LIN Zhen-yu，ZHENG Fu-rong.LabVIEW virtual instrument programming from entry to the master ［M］.2010：458-472.

［5］ZHOU Hui，HAN Yan.Software design of acoustic signal orientation system based on LabVIEW ［J］.Journal of Detection &Control，2007 （10）：73-77.

［6］GUI Ren-zhou.Instrument of phase measurement based on virtual instrument technology and correlation theory［J］.Instrument Technique and Sensor，2004 （5）：8-12.

［7］ZHANG Liang，TIAN Tian，MENG Chun-xia.Identifying multiple targets by a single vector hydrophone based on the cross-spectrum goniometry［J］.Ship Science and Technology，2009（10）：18-20.

Direction detecting of underwater acoustic based on labview system

PAN Yun-long，LIAO Xiao-man
（Dalian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China）

LabVIEW is a virtual instrument system of NI （America National Instrument）corporation，including graphic programmable language and diversification equipment.This system is often used in collecting underwater sound signal.This paper designed a way of direction detecting based on cross-power spectrum algorithm which is often used in underwater application with LabVIEW system.Design based on LabVIEW system can develop flexibility，reduce development cycle and complexity.By verifying the feasibility that detecting direction of underwater with cross-power spectrum based on LabVIEW systemwe offer a new way to design underwater equipment in the future.

LabVIEW；direction detecting；cross power spectrum

TB 52

A

1672-7619（2016）07-0091-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.020

2015-11-09

潘云龍（1988-），男，碩士，助理工程師，研究方向為水下聲信號處理及電子技術等。