水聲探測器測試系統軟件設計方法

楊天開

（中船重工第七一五研究所 浙江省杭州市 310000 ）

現代水聲探測工作有著體積小、活動流域廣的技術要求，相應的，其探測時間縮短，造成目標回波強度明顯下降，增大水聲探測難度。進行水聲探測器測試，傳統模式是利用示波器檢測其信號源，雖然這種模式能獲得準確結果，但其造價過高，且測試過程中需要進行的項目過多，檢測周期過長。

1 水聲探測器測試系統工作原理

水聲探測器測試系統中，應用接收機組件、發射機組件，區別于原始的“標準度”與“分辨率”進行信號觀察，信號傳遞過程中是較為平穩的，但在細節處的不連續性表現的也比較明顯。這種分辨率的特殊化，是水聲探測器測試系統工作完成信號傳遞的基本特征，需要D/A、A/D、DI/O、CAN 接口、單刀開關、多路復用開關等多個設備配合應用，如圖1 所示。進行水聲探測器測試不僅需要看到整體信號的情況，又要分辨出隱藏于信號中的細節，并且可以通過將函數持續時間縮短，來保障整體信號強度的連續性；同時設立一定持續時間較長的特殊信號，來實現不同分辨率的信號分析應用。這種通過構造持續時間很短的高頻基函數和持續時間很長低頻基函數，能夠有效發揮回波信號傳遞中的作用，并且作為一種多尺度的信號交流方式，其將不同時間尺度的正交分量疊加[1]。

其中，D/A 設備主要是進行水聲目標回波信號模擬，通過不同頻率、幅度、回波延時，模擬不同頻率的輻射噪聲，并分別傳輸給接收機組件輸入通道。DI/O 設備主要是進行數字機組件輸出信號采集工作，將其作為接收機的激勵信號。CAN 通信設備主要是進行信號數據收發工作，通過模擬水下環境中各個系統之間的信號，完成信息交互。單刀雙擲開關能夠完成不同電源供電，而多路復用開關則是用于切換信號采集通道。

2 水聲探測器測試系統模型設計

水聲探測器測試系統模型建立環節，需要考慮到測試系統自身的耦合度，針對不同信號頻率狀態建立不同的數學模型，在非線性控制及多個參數設計中，精準構建信號控制規律。測試系統模型設計環節可能受到一定專業因素限制，因此需要對水聲探測器參數信息進行專業化學科分析，從而保證總體模型設計方案的科學性。系統硬件設計時，涉及到機箱、采集卡、不同用途開關等多個項目，現階段PXle總線比PXI總線在寬帶傳輸及兼容性上有著明顯優勢。水聲探測器測試系統模型設計是多種信息參數數據傳遞方式的集合體，基本涵蓋了數據傳遞、氣動分析、幾何處理組件等軟件工具集成，完成信號傳輸間的交互處理。在常規信號被處理分化為多個分辨率信號后，各離散信號代表了不同的原始信號強度，并且這些信號還伴隨著一定的峰狀信號點。將這些頻率峰值進行計算，區別于高分辨信號成分，實現對信號的優化處理。而對于顏色重疊的色譜峰，究其根本其實就是不同成分色譜信號的疊加組成，其相較于普通型號而言，存在更多元化的信號變化處理模型[2]。

圖1：水聲探測器測試系統原理

圖2：水聽器信號處理系統工作流程

3 水聲探測器測試系統軟件設計

3.1 接收機信號參數模擬

接收機測試軟件要模擬回波參數，對接收機組件上的增益進行控制碼設定，并加載混頻信號完成模擬回波調制。實際測試環節，系統將接收機的模擬信號進行處理，閉合第一通道開關，進行模擬信號加載，可以利用接收機將信號幅度及頻率函數進行計算。在這個過程中，信號幅度的有效值不斷增大，只需要找到最值函數，就能夠獲得不同水聲信號的序號。利用自功率譜函數進行參數計算，完成該通道測試后，切換多路復用開關進行下一通道測試模擬，直至所有通道測試完畢。在接收機信號模擬過程中，其所傳遞數據包含了參數、頻率、頻寬等各個方面，實現了其存在的資源整合。可以利用該技術，整合龐大的水聲探測數據信息及數據覆蓋面，加強各系統之間的數據交流，利用接收機信號模擬，完成對相關信息的整理利用。它可以將各項數據進行統一整合，使得數據信息集中，形成更為多元化的參數形式，順應了水聲探測器測試系統要求的同時，促進相關數據的方便、快捷利用。想要更好地利用模擬數據整合，進行接收機信號管理，不僅需要有效解決內存和DI/O 等硬件瓶頸問題，更可以借助現代化科技的輔助，實現對單個信號的精準化提取，形成相對自動化的測試體系。

3.2 數字機組件信號識別

在水下環境中存在著大量的沉積巖，其中的微量放射元素含量存在著一定的差異性，通過數字機組件信號識別對不同環境中的微量元素情況進行探測，再根據探測結果根據一定指標進行分析，就能夠實現水下反射元素信號識別需求。數字機組件測試軟件流程與接受機組件測試軟件流程相差無幾，都能夠提高對信號檢測的強度，通過對放射性元素的差異性進行物質分析，區別在于激勵信號加載為輸出信號及激勵命令。通過放射性元素檢測來對水淹層進行模擬識別，進一步完善信號處理定位作業，由于自然伽馬射線自身存在一定的放射性，會對人體及模擬環境造成一定傷害，所以操作人員要應用了Database Edior 的方法，并對水聽器進行清理作業，保證整個水下數字機組件信號識別作業的安全性。利用Database Edior創建Database 文件，其中CAN 幀格式、幀ID、信號長度等參數都可以直接進行配置。一般情況下，數字機組件使用單位都會有一只專業水平較高，結構較為完善的設備維修診斷團隊，負責日常工作中數字化設備的維修、護理工作。在參數模擬環節若出現意外故障，應對故障問題進行詳細記錄，與相關數據進行比對分析，降低再次發生故障的可能性，提高問題解決效率，避免因設備故障影響水聲探測器測試系統軟件工作效率[3]。

3.3 水聽器信號處理系統

一般來說，水聲探測器測試系統的水聽器信號處理系統供電不穩定，這部分故障信息是整個測試系統運行過程中不可避免的環節，但通常幾分鐘后便可復原，因此這部分信息不需要進行處理。水聲探測器測試系統中的DI/O 設備能夠產生震動波，在經過反射后形成S 波與P 波，并在接收機的作用下進行電信號處理。由于P 波在水中的傳播會造成一定的水壓浮動變化，水聽器在這種變化作用下會實現數據收集作用，如圖2 所示。這種方式的信號處理優勢在于，它能夠保證所受到70%以上的反饋信號都是水聲信號處理時產生的信息，并且對測試系統模擬環境，具備一定的阻隔作用。在數據采集環節，經過水下電纜進行電信號輸送時，能夠將其固定在記錄庫上，這部分電信號由Atmega128 單片機和ltc1606 采集芯片組成。該地區水聲資源信息收集系統是利用水聽器數據，在RS232串口的幫助下，將數據信息傳到上位機，并由Labwindows 產生信號圖形界面，幫助進行小波濾波算法計算，形成相應的信號對比，完成資源信號分析。在進行水聽器信號處理時，要將信號中的高頻部分進行提取，并使其脫離重疊狀態，分量進行信號解析。常規小波變換多組重疊信號解析普遍為三個環節，其一，通過離散方式，將多組接收機模擬信號進行解析，使其成為離散逼近C(j)和離散細節D(j)；其二，在所有D(j)項目中，分別選取其中分辨率較高的離散細節D(k)，保證這個D(k)的倍數要高于1，且重組后其分辨率信號較高，能夠直接應用于D(k)的項目信號研究。

3.4 發射機組件軟件設計

在水聲探測器測試系統軟件中，發射機組件測試主要是檢測負載箱輸出，由于此輸出為一段短調制脈沖信號，當信號加載完成后進行輸出。由于有效信號和隨機噪聲在不同尺度上進行分解時存在著不同的傳遞特性和表現特征，利用超聲波的反射原理實現對井下情況進行探測，系統中發射的超聲信號在接觸到信息后會發射回來，經過通道觸發采集的處理將聲波信號轉化為電信號，工作人員再通過對電信號的分析了解水聲信號實際情況。實際應用環節，其信號分解算法如下：首先，發射機組件激勵信號為方波信號，通過對不同信號的優化分析，確定其適合的基小波，并構造相應的優化分解層次；其次，Daubechies 小波的重要特質就是其不僅是連續和正交的信號類型，更是支集最小的信號狀態，因此在進行相應的油井探測噪聲小波分解時，需要利用分解與重構算法進行計算；再次，為保證整體信號不發生變化，在信號輸出過程中要保留所有的低頻系數，也就是將不同噪音層對應下的小波系數與相應的閾值λ 進行比較，獲得該點與閾值的差；最后，完成最后的信號變換，得到最底層信號后，經過各層高頻處理，得出信號輸出正常與否，并將線程關閉。

3.5 水聲探測器測試計算

美國斯坦福大學的Donoho 和Johnstone 教授，在高斯白噪聲基礎上，完成了水聲信號處理算法，并將這種算法稱為“WaveletShrinkage”。它是CAN-FD 總線結合水聲檢測安全機制，形成的報文幀結構形式，能夠保證10Mbps 通信速率以下的64 字節信息傳輸需求。常規水聲探測器信號處理要具備輕量級要求，在有限的硬件資源管理作用下，進行水下通信傳輸運算，其自身要具備一定的防破解能力，避免出現信號處理誤差，且發射機信息中的報文數據場中的字節數應高于最小加密塊數量。可以使用AES 加密算法，其在數據計算環節強調對稱計算，即雙方運輸數據同時計算，具備傳輸計算時間較短、兼容性強、安全性高等特點。在實際應用過程中，在某些頻段中的水聲信號頻率更接近于Rayleigh 分布，而零均值、窄帶高斯分布的峰值分布也是Rayleigh 分布。在水聲探測器測試系統處理工作中，可以將其信號分布看為高斯型分布，結合接收機參數的變化，將整體信號處理視為零均值高斯水下信號變換過程[4]。

4 結論

通過虛擬化群集服務器技術，在保證信息數據準確的基礎上，建立較為全面的水聲探測器測試系統軟件，實現虛擬服務器的自動化安全管理。隨著計算機系統應用建設發展，各類開關切換等測試測量領域里常用功能單元設計，為水聲探測器自動化測試系統提供參考。