基于CompactRIO的水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法研究*

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

我國海洋面積幅員遼闊，海洋資源豐富，特別是能源、礦藏、生物等資源是人類的資源寶庫。隨著中國及世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對海洋的開發(fā)利用已由淺海逐漸走向深海。人們對海洋的不斷探索與對海洋認(rèn)識的不斷提高，海洋資源的開發(fā)利用與國家的經(jīng)濟發(fā)展已緊密相連。人們在探索與開發(fā)海洋資源尋找各種方法與途徑，為此研制了多種多樣的傳感器與采集探測設(shè)備。然而，水聲探測技術(shù)在海洋探索領(lǐng)域中任然具有至關(guān)重要的作用。隨著人們在海洋探索由淺到深、由近海到遠(yuǎn)洋的不斷拓展，這樣就要求水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)具有多通道、大容量、高速傳輸、高精度采樣等特點。同時，在深海遠(yuǎn)洋這一特定海洋環(huán)境中，海洋水文、氣候瞬息萬變，這就對水聲監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗惡劣海況等提出了新的要求。

近年來，隨著我國新型武器聲自導(dǎo)導(dǎo)精度和抗干擾能力不斷提高，武器自導(dǎo)信號體制趨向?qū)掝l帶、多頻制組合脈沖等方面發(fā)展，現(xiàn)有的武器裝備與水聲信號監(jiān)測處理系統(tǒng)分開布放，二者在深度、距離和姿態(tài)上產(chǎn)生動態(tài)變化，帶來對武器與自導(dǎo)信號監(jiān)測存在較大的監(jiān)測誤差。現(xiàn)有的監(jiān)測處理系統(tǒng)存在工作頻帶窄、數(shù)據(jù)實時處理能力不足等問題，難以滿足新型武器監(jiān)測任務(wù)的需要。

因此，本文設(shè)計一種基于CompactRIO的寬頻帶水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)，它具有高精度、寬頻帶、多通道、大容量高速傳輸?shù)忍攸c，可以滿足對深海遠(yuǎn)洋海洋探測與軍事領(lǐng)域中武器聲自導(dǎo)信號監(jiān)測的需要。

2 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文將設(shè)計一種基于CompactRIO的寬頻帶水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括水下水聲信號監(jiān)測處理系統(tǒng)（水聲接收系統(tǒng)和水下結(jié)構(gòu)光纖網(wǎng)絡(luò)通信通信系統(tǒng)）及一臺配備由Labview編寫的信號處理顯示軟件的便攜式計算機終端，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

水聲接收系統(tǒng)、水下結(jié)構(gòu)、光纖網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)共同組成水聲信號監(jiān)測處理系統(tǒng)。水下結(jié)構(gòu)為水聲接收系統(tǒng)各個功能部件提供水密艙位及固定安裝機構(gòu)，用以保證整個水聲信號監(jiān)測處理系統(tǒng)能夠安全順利吊放于海洋中固定深度位置且能在各種海況情況下保持姿態(tài)穩(wěn)定。光纖網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)為便攜式計算機終端與水聲接收系統(tǒng)建立光纖網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)鏈路，通過便攜式計算機終端人機交互界面實現(xiàn)控制指令與監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳與下達(dá)。

圖1 系統(tǒng)組成

3 水聲信號監(jiān)測處理系統(tǒng)

3.1 水聲接收系統(tǒng)

水聲接收系統(tǒng)主要由CompactRIO嵌入式系統(tǒng)、4路模擬NI-9222采集卡、模擬信號調(diào)理模塊、水聽器等組成，如圖2所示。

CompactRIO是美國國家儀器（NI）公司生產(chǎn)的一款可重新配置的嵌入式測控系統(tǒng)，如圖3（a）所示。CompactRIO系統(tǒng)擁有堅固的硬件架構(gòu)，功能豐富，其中包含：I/O模塊、帶有可重新配置的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的機箱、實時控制器。實時處理器的主頻高達(dá)400MHz，F(xiàn)PGA擁有43661個邏輯單元，多達(dá)58個乘法器，整機可以在-20℃～55℃之間工作。CompactRIO通過其通用的I/O接口可以同各種各樣的通用采集模塊以及輸出模塊相鏈接，這些模塊包括：電壓輸入輸出、熱電偶、電流輸入輸出、數(shù)字輸入輸出、串行通信、運動控制等。用戶可以采用LabVIEW圖形化開發(fā)工具對CompactRIO進(jìn)行編程開發(fā)，并將之應(yīng)用于各類嵌入式控制和監(jiān)測應(yīng)用中。CompactRIO是基于LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計平臺進(jìn)行開發(fā)，LabVIEW中包含了數(shù)千種專為工業(yè)測量和控制應(yīng)用程序創(chuàng)建的高級函數(shù)。這些強大的工具可輕松實現(xiàn)高級信號理、頻率分析，以及數(shù)字信號處理，如快速傅立葉變換（FFT）、時頻分析、聲音和振動、小波分析、曲線擬合，以及控制設(shè)計與仿真。此外，將CompactRIO嵌入式測控系統(tǒng)作為平臺，用戶還可通過插入各種功能板卡來擴展適用范圍如機器視覺、運動控制和機器狀態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域。CompactRIO嵌入式測控系統(tǒng)具有信號處理和分析性能優(yōu)異、硬件結(jié)構(gòu)堅固可靠、靈活的模塊化設(shè)計等特點［13］。

圖2 水聲接收系統(tǒng)組成框圖

NI-9222是可以插入CompactRIO嵌入式測控系統(tǒng)的4個同步采樣且相互隔離的模擬輸入通道采集卡，如圖3（b）所示。它的模擬輸入通道之間，通道與地之間處于浮接狀態(tài)，每個通道輸入的模擬信號經(jīng)過緩沖、調(diào)理，然后由16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其采樣，每個通道均帶有獨立的信號通路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對4個通道同步采樣。

圖3 a CompactRIO嵌入式測控系統(tǒng) b NI-9222采集卡

水聲接收系統(tǒng)NI-9222采集卡插入CompactRIO嵌入式測控系統(tǒng)專用插槽內(nèi)，并用水密接插件將水聽器與模擬電路調(diào)理電路連接在一起，模擬電路調(diào)理電路與采集卡通過同軸電纜連接。模擬電路調(diào)理電路、采集卡、CompactRIO嵌入式測控系統(tǒng)安裝于水下電子艙內(nèi)。

模擬信號調(diào)理電路采用單端輸入/輸出，由DC-DC變換、前置放大、低通濾波器、帶通頻濾波器、信號放大器組成。水聽器接收海洋中聲波信號，并轉(zhuǎn)換為電信號，通過水密接插件與模擬信號調(diào)理電路中前置放大端連接，通過前置放大后的電信號送后一級濾波器進(jìn)行濾波。

本系統(tǒng)根據(jù)海洋探測與水下武器聲自導(dǎo)信號頻率分段特點，在模擬信號調(diào)理電路中設(shè)置了兩個濾波器，一個是中低頻段低通濾波器，另一個是高頻段帶通濾波器，提高了系統(tǒng)接對微弱信號接收能力。根據(jù)前置放大端送來的不同頻段信號分別放大后，經(jīng)濾波并放大后的模擬信號由模擬信號調(diào)理電路輸出端輸出給加裝的4路模擬信號采集卡NI-9222進(jìn)行采樣。

3.2 水下結(jié)構(gòu)

水下結(jié)構(gòu)包含金屬固定架、透聲支架、透聲螺紋連接片、水聽器固定螺紋桿、導(dǎo)流片如圖4所示。用不銹鋼做金屬固定架，一端設(shè)置成圓弧形叉頭，環(huán)抱并固定在水密電子艙外壁上，在不銹鋼金屬固定架另一端連接透聲支架一端，透聲支架另一端經(jīng)透聲螺紋連接片連接著導(dǎo)流片，同時透聲螺紋連接片通過螺紋固定連接螺紋桿，水聽器通過固定螺紋桿連接到透聲螺紋連接片上；透聲支架與導(dǎo)流片采用透聲材料制作；水聽器安裝于距離靶標(biāo)設(shè)備發(fā)射換能器0.5m～1m處；導(dǎo)流片采用仿生魚鰭設(shè)計，使得整個水下結(jié)構(gòu)在任何情況下都能保證處在順流方向并處于穩(wěn)定狀態(tài)，這樣有效克服了系統(tǒng)深度、距離和姿態(tài)上會隨流向和流速的改變而產(chǎn)生監(jiān)測誤差的問題。

圖4 水下結(jié)構(gòu)示意圖

4 顯控軟件

LabVIEW是由美國國家儀器（NI）研制的一種開發(fā)語言環(huán)境，用圖形進(jìn)行編程。LabVIEW是一種框架結(jié)構(gòu)的編程語言，采用數(shù)據(jù)流程方式，程序里面的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。Lab-VIEW應(yīng)用廣泛，無論是工業(yè)界、學(xué)術(shù)界都有廣泛的應(yīng)用，是一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。

本文中便攜式計算機終端主要完成對CompactRIO嵌入式控制指令下達(dá)和監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳處理工作，終端顯控軟件LabView編程軟件編寫，顯控軟件下達(dá)控制指令主要有初始化系統(tǒng)參數(shù)、開始采集、停止采集、數(shù)據(jù)保存等指令。初始化系統(tǒng)參數(shù)將CompactRIO嵌入式系統(tǒng)中各個信號處理程序中需要的初始值裝載于系統(tǒng)中等待系統(tǒng)開始采集信號，通過將采集卡轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字濾波等處理后打包信號上傳，通過人機交互界面，分別提取出原始信號、包絡(luò)信號和頻譜信號，同時對提取信號進(jìn)行編碼，然后送存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，顯控軟件數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)存儲需要回放時，再由人機交互界面選擇數(shù)據(jù)回放功能后，通過人機交互界面選擇回放原始信號、包絡(luò)信號或頻譜信號，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期處理。其中信號處理顯示軟件提供了原始信號顯示窗口、包絡(luò)顯示窗口、頻譜顯示窗口。信號處理顯示軟件還提供了實時處理、顯示或保存水聲接收系統(tǒng)接收到信號的功能。

圖5 顯控軟件數(shù)據(jù)處理流程圖

5 結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安裝和使用方便、適用范圍廣，能與海洋探測設(shè)備組合使用，能夠在較寬的頻帶內(nèi)，高精度定量分析處理被監(jiān)測對象信號頻譜、包絡(luò)等成份。導(dǎo)流片采用仿生魚鰭設(shè)計，使得整個水下結(jié)構(gòu)在任何情況下都能保證處在海洋中順流方向，處于穩(wěn)定狀態(tài)，確保監(jiān)測處理系統(tǒng)水下結(jié)構(gòu)深度、距離和姿態(tài)穩(wěn)定，減小監(jiān)測誤差。可監(jiān)測海洋環(huán)境噪聲、海洋探測設(shè)備主動信號、艦船或魚類活動噪聲，為深海與遠(yuǎn)洋探測提供數(shù)據(jù)支撐，也可應(yīng)用于工作頻帶內(nèi)其他軍事領(lǐng)域水下武器、水聲設(shè)備信號監(jiān)測。