水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)?

郭燕子 丁翠環(huán) 李國良

（91388部隊46分隊 湛江 524022）

1 引言

在水聲設備的試驗中，參試設備的多樣化決定了一次試驗的成功不僅僅取決于被測設備的性能，在很大程度上還取決于參試設備試驗期間能否夠正常工作。由于水聲設備大多處于水面或水下運動狀態(tài)，測量手段一般通過聲信號實現(xiàn)，所以，對水聲信號的監(jiān)測有助于判斷被測武備、參試設備的工作狀態(tài)。以往試驗中由于海洋環(huán)境的復雜，設備自身的性能諸如方向性、應答門限、關門時間等的限制，導致記錄的數(shù)據(jù)不能完全反映設備的工作情況，需要研制能夠對試驗中所有水聲信號進行實時監(jiān)測、記錄的監(jiān)測設備，將被試和參試設備所發(fā)出的信號包括這些信號的混響信號毫無遺漏地記錄下來，并能夠隨時回放，避免試驗結果的評定出現(xiàn)爭議。水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)用于對水聲信號的監(jiān)測與觀察，將被試和參試設備用聲信號聯(lián)系起來，判斷它們是否正常的發(fā)射出聲信號，從而對試驗中各參試設備工作狀態(tài)作出判定，為試驗中的異常情況提供分析結果，避免評定結果存在爭議。

2 系統(tǒng)主要功能及應用

水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)應用虛擬儀器技術實時監(jiān)測和錄取目標信號和應答信號及海洋環(huán)境噪聲；實時顯示監(jiān)測到的波形，信號的頻率，到達水聽器時信號的能量，記錄信號到達的時刻，事后進行波形回放，各種譜分析，測量時間間隔，信號頻率和大小，最終形成結果報告。

該系統(tǒng)的應用在于，在魚雷試驗中，用來監(jiān)測魚雷、聲靶的信號發(fā)射情況，確定魚雷、聲靶的工作狀態(tài)；在聲納試驗中，可以用來檢查聲信號的頻率、功率、脈沖寬度、發(fā)射周期等是否符合要求；尤其在水聲對抗試驗中，可用來監(jiān)測水面艦艇、潛艇的自噪聲及主動聲納、噪聲干擾器發(fā)出的各種信號，并及時提供有效、準確的數(shù)據(jù)結果。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

3.1 系統(tǒng)組成

水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)由水聽器、電纜及絞盤、信號處理器、存儲設備、采集卡和計算機組成。系統(tǒng)組成及原理框圖如圖1所示。

圖1 水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

水聽器包括聲傳感器和信號前置放大器，完成將水中聲信號轉變?yōu)殡娦盘枺⒎糯螅盘柾ㄟ^電纜傳送到信號處理器。信號處理器包括電源、分檔衰減器、低噪放大器、高階帶通濾波器等。信號處理器主要用來將信號限定在需要的頻帶之內(nèi)，對信號進行適當?shù)姆糯蟆７謾n衰減器對強弱不同的信號分別予以不同程度的衰減，保證信號經(jīng)過后面的放大電路后不至于引起失真。信號處理器組成框圖如圖2所示。計算機通過采集卡完成對信號的采集、實時顯示及事后頻率處理、回放。

圖2 信號處理器框圖

3.2 系統(tǒng)工作原理

試驗時，水聽器入水深度視具體試驗而定，一般比參試設備略深。為便于下放和回收水聽器，電纜與護繩共同纏繞于絞架之上，并通過絞架與計算機相連，將收集到的信號傳送至計算機進行處理。

系統(tǒng)工作時，水聽器聲信號轉變?yōu)殡娦盘枺⒎糯螅盘柾ㄟ^電纜傳送到信號處理器，信號處理器完成信號的放大、衰減、濾波等，將信號限定在需要的頻帶之內(nèi)，對信號進行適當?shù)姆糯螅嬎銠C通過采集卡完成對信號的采集、實時顯示及事后頻率處理、回放。

4 關鍵技術

4.1 虛擬儀器技術

虛擬儀器技術用軟件來取代部分硬件功能，即用軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取、處理、顯示，這樣可以簡化硬件模塊，從而縮小整個系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)便攜性和可靠性，并且具有更強的靈活性和擴展性。因而在自動化測試和測量領域得到廣泛應用，同時該技術在對采集數(shù)據(jù)的永久性存儲上具有硬件設備無法比擬的優(yōu)越性［1］。本系統(tǒng)中虛擬儀器主要完成以下功能：

1）對采集卡部分參數(shù)的設定。

2）對采集信號波形的實時顯示，并實時提供一個采樣長度內(nèi)信號的最大值。

3）對采集信號的功率譜分析、相位譜分析、對數(shù)譜分析、自相關分析。

4）對采集信號的事后回放。

5）對采集信號波形、譜分析結果的打印。

4.2 游標測量技術

傳統(tǒng)軟件測量中，對于時間和頻率的測量存在很大的不足，一方面，計算機對一個采樣周期內(nèi)的信號進行分析，經(jīng)過某些算法給出信號的特征參數(shù)，但由于信號在海洋傳播過程中會有很大的變形、失真，且這些變化隨機性較大，所以完全由計算機處理從算法上較難實現(xiàn)，即便實現(xiàn)也會有很大的測量誤差。另一方面，測量信息的顯示比較被動，計算機分析后的信息只能以某種列表的形式顯示出來，對于真正需要的信息有可能沒有顯示，測量內(nèi)容過于單一，不能滿足試驗的需要。

游標卡尺是以主尺的數(shù)據(jù)加游標輔尺的數(shù)據(jù)作為測量結果。在基于游標原理的測量方法中，將計算機采樣和人為采樣結合對信號特征進行分析，即操作員能夠隨時隨地對任意信號進行脈寬、強度、頻譜分析，提取信號特征。由于計算機在采樣時對采集信號的幅度和出現(xiàn)時間記錄的精確度較高，而采集信號的形狀、幅度均有隨機性變化，特別是有混響信號的存在，使得計算機對于信號的幅度、脈寬的判斷顯得十分困難，但在人機對話方式下，由人以游標方式給出具體的兩個采樣點，再由計算機計算兩采樣點之間的幅度、時間差，在信號的譜分析結果中，對于信號在某一頻率分量上的幅度也可以采用這種人機交互的測量方法。這樣，就可以利用人的模糊判斷性，實現(xiàn)計算機對信號參數(shù)的精確測量［2～3］。

4.3 聲信號檢測分離技術

在傳統(tǒng)的信號檢測中，對已知信號的檢測一般采用同步檢測方式：包括門限檢測、脈寬檢測、頻率檢測。這種檢測方式雖然實用、有效，但需要大量的硬件支持且電路復雜。

本系統(tǒng)在設計過程中遵照系統(tǒng)體積小、設備輕的原則采用計算機軟件檢測。為提高檢測效率，避免大量復雜的數(shù)學運算盡量不采用頻域處理。但實際試驗中，信號幅值變化相當大，信號形狀也不規(guī)則，且由于混響的存在，正常的信號基本上被混響信號連在一起，很難分開，使得計算機對信號的統(tǒng)計相當困難，基于此，根據(jù)研究各種信號從時間順序、幅度大小、信號脈沖寬度等特點，提出了以下軟件設計的解決方案［4～5］：

1）提取采集信號的包絡，并將其平滑。

2）利用混響相干包絡頻率是發(fā)射及應答頻率差的特點，對信號進行相干判斷，相干判斷的重要依據(jù)是相鄰兩個波峰或波谷之間的時間差，根據(jù)這個時間差即可判斷是否有相干波出現(xiàn)，若有相干波形出現(xiàn)，則可以判斷發(fā)射、應答信號均正常。

3）在相干波判斷法比較困難（混響信號對正常信號的影響較小）的情況下，則應采用幅度—脈寬判定法。對于幅度超過一定門限的信號，再對其脈寬進行評估。

5 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

軟件采用Visual C++、LabVIEW等編程工具，實現(xiàn)部分功能參數(shù)的設定；對采集信號波形的實時顯示；對采集信號的功率譜、相位譜、對數(shù)譜、自相關分析；事后回放；波形、譜分析結果的打印。

5.1 設定采集卡參數(shù)

主要包括采樣頻率、信號通道、采樣長度參數(shù)的確定。

5.1.1 設定采集頻率

在采集卡中，為能夠適應不同試驗場合的需要，對采樣頻率的設定采用對可編程器件編程的方

式。程序中首先向控制字寄存器地址寫入方式控制字，使通道0工作于方式3，產(chǎn)生相應的方波信號，作為A/D轉換的時鐘信號。然后以計數(shù)器通道地址寫入計數(shù)器初值至CR。程序在默認方式將采樣頻率預置為80KHz。其程序流程如圖3。

5.1.2 設定采集通道

本系統(tǒng)可工作于單通道、雙通道采集兩種采集方式，程序通過控制多通道開關來選擇采集方式。單通道采集方式程序流程如圖4所示，通過寫多通道開關的控制字來達到選擇采集通道的目的。

圖3 設定采集頻率程序流程

圖4 設定采集通道單通道模式流程圖

本系統(tǒng)在雙通道采集時，采用在兩個通道之間輪流采集的處理方式，程序流程圖如圖5，當打開一個通道后，采集該通道A/D轉換后的數(shù)據(jù)，放入內(nèi)存，并將該數(shù)據(jù)經(jīng)過計算顯示在計算機屏幕上，待該通道數(shù)據(jù)處理完畢后轉入下一個通道的處理，如此循環(huán)，直到操作員結束采集。

5.1.3 設定采集長度

本系統(tǒng)的采集長度分為4K、8K、16K三種，程序根據(jù)三種不同的采樣長度在內(nèi)存中開辟出不同的數(shù)據(jù)存放空間，存放形式采用數(shù)組存放。

5.2 采集信號波形顯示

A/D轉換后的信號數(shù)據(jù)必須分兩次讀出，先讀低8位，再讀高4位，然后將低8位、高4位組合成實際所需要的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的大小求出該數(shù)據(jù)在屏幕上顯示的位置，進行波形顯示。

5.3 事后回放

事后回放有助于對信號的進一步觀測、分析和處理。本系統(tǒng)回放方式分為自動和手動兩種。自動方式下對整個試驗過程進行總體觀測，做出一個整體評估，手動方式實現(xiàn)對采集信號的向前和向后瀏覽，它有助于對某些特殊信號的進一步觀測與分析。程序流程如圖6。

圖5 設定采集通道雙通道模式流程圖

6 系統(tǒng)說明

水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)主界面如圖7，主要用于選擇采集通道、參數(shù)設定（包括采樣率、采樣長度）、數(shù)據(jù)采集、波形實時顯示及事后打印、回放控制，并提供一個采樣長度中信號的最大值。

圖6 事后回放程序流程圖

圖7 水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)主界面

頻譜分析界面如圖8所示，此界面主要用來進行頻譜分析，包括功率譜分析、對數(shù)譜分析、相位譜分析、自相關分析、失真度分析等五個分析項目，其分析結果包括打印、分析結果顯示、波形顯示、原始數(shù)據(jù)查看、分析結果存盤等功能。

7 結語

本系統(tǒng)可廣泛用于各種水下水聲設備的試驗中，監(jiān)測各參試水下設備的聲信號的頻率、功率、脈寬、發(fā)射周期等，及時提供數(shù)據(jù)結果，實時掌握各目標工作情況，確定其工作狀態(tài)是否符合要求。使試驗評估小組能夠準確掌握試驗情況，使試驗有章可循，減少了參試各方因無評判依據(jù)而產(chǎn)生的糾紛，從而縮短試驗周期，節(jié)約試驗經(jīng)費，提高試驗效率。

圖8 水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)頻譜分析界面

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