基于myDAQ的水下聲源定位系統設計

楊光 張君義 朱昊 仲嘉維

摘 要：隨著國家在海洋方面投入的增加，水聲定位的研究吸引了越來越多人的關注。因此全國各大高校、研究所相繼投入了大量人力物力財力，各式各樣適用于不同環境且精度各有差異的定位算法層出不窮，這在某種程度上填補了我國在水聲定位方面的不足。文中基于MATLAB，LabVIEW及myDAQ等輔助工具對基于到達時間差定位（TDOA）算法進行了優化處理以提高定位的可靠性。通過分析仿真結果，文中設計的水聲定位系統性能完全可滿足設計初衷。

關鍵詞：MATLAB;LabVIEW;myDAQ;TDOA;水聲定位;系統仿真

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

在目前注重定位的時代，TOA，AOA，RSSI等定位理論層出不窮。但由于基于TDOA的定位具有定位精度高和復雜性低等優點，因此得到廣泛應用。目前TDOA的基本算法主要由Chan算法、Kalman濾波算法、Taylor算法和Fang算法等組成，本項目采用的定位算法為Chan算法和Taylor算法。兩種算法各有優缺點，其中Chan算法計算比較簡單，無需初始迭代值，在高斯噪聲環境下定位結果比較準確[1];Taylor算法能夠計算較多的數據，需要迭代初值，但對信道環境適應性較高，在迭代初值接近真實值的情況下能夠獲得較為準確的定位結果。本項目將TDOA定位技術運用到三維環境當中，以水聲信道傳播特性為基礎，推導出海面反射和直線傳播情況下傳播路徑的距離方程，建立了深海多徑環境下TDOA定位的測量值方程，然后通過對TDOA測量值二次最值篩選得到聲波直線傳播的TDOA測量值，最終計算出聲源的大致位置。本項目將通過LabVIEW和MATLAB混合編程的方法實現，利用myDAQ完成水下聲源仿真信號的采集。

1 NI myDAQ 簡介

1.1 NI myDAQ 設備

DAQ為NI的數據采集，與傳統的測量系統相比，基于PC的DAQ系統利用行業標準計算機的處理、生產、顯示和連通能力，提供更強大、靈活且具有成本效益的測量解決方案[2]。DAQ通過USB與個人計算機連接，使用LabVIEW編寫數據接收處理傳輸程序，用來測量和分析實際信號。myDAQ通過USB接口將接收到的數據傳入計算機中的LabVIEW，使電腦能夠分析并處理接收的數據，同時能夠控制其進程。

1.2 軟件配置

NI公司提供了一款功能豐富的配置工具軟件MAX（Measurement&Automation Explorer），其用途如下[3]：

（1）快速檢測及配置硬件和軟件，分配設備編號;

（2）診斷硬件所處狀態;

（3）建立新的通道、任務及接口等。

MAX會根據硬件設備類型的不同顯示不同的配置與測試窗口[4]。

1.3 分辨率

分辨率，即采樣數據最低位所代表的模擬量值，表示如下：

分辨率=滿量程輸入值/2n

式中，n為A/D轉換器的位數，位數越多，分辨率越高[5]。

2 定位算法

2.1 常用算法

隨著水聲定位的發展，算法的精度尤為重要，由此，人們對定位算法的設計方式也不斷改進。其中，運用最廣的當屬到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位。該定位是用多個信號到達待測節點時間差來確定該節點坐標的技術。常見的TDOA算法有最小二乘（Least Square，LS）算法、Taylor級數展開法及查恩（Chan）算法[6]。3種算法各有優缺點：LS算法運算簡單快速，求出的卻是次優解;Taylor級數展開法需要使用接近實際位置的初始值迭代運算，否則收斂緩慢，甚至會因初始值選擇不當導致迭代結果發散，導致無法定位;Chan算法在時間差測量精度較高時定位結果誤差較小，當基站位置出現偏差或者時間差測量精度不高時，其定位性能下降較快[7]。通過對兩種算法的優劣進行分析比較，衍生出本文主要介紹和應用的算法。

2.2 算法設計

當基站位置出現偏差或者時間差測量精度不高時，Chan算法定位性能下降較快。Taylor算法初始迭代值的設置對定位結果的精度有較大影響，如果初始值選取不合適，可能導致算法不收斂[8]。由此本文提出先通過Chan算法根據測量時間差進行初步定位，將定位結果作為Taylor算法的迭代值進行進一步定位。同時，為減小單次定位可能出現較大誤差從而對最終定位結果產生影響，本算法需對TDOA測量值進行多次采集，將每次采集到的信號分別定位，然后對定位結果求和計算均值，最終得出最接近真實聲源的坐標。

2.3 程序仿真

圖1、圖2分別為單獨運用Chan算法進行定位的定位場景與誤差曲線。圖3、圖4分別為Chan算法與Taylor算法聯合定位的定位場景與誤差曲線。其中圖1、圖3中圓點和方點分別對應于參考基站坐標和其余基站坐標。通過分析發現，Chan算法單獨定位結果和Chan算法與Taylor算法聯合定位結果在精度上存在明顯差異，顯然Chan算法與Taylor算法聯合定位精度遠高于Chan算法單獨定位。

3 定位平臺搭建

3.1 LabVIEW 軟件開發平臺

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，使用圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序為框圖形式[9]。

與傳統的文本編程模式不同，LabVIEW采用獨特的編程方式，其根據程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序[10]。

LabVIEW具有以下優勢：

（1）可以實現除儀器廠商提供的功能以外的功能;

（2）與網絡、外設及其他應用連接比較方便;

（3）可以通過LabVIEW實時、直接地對數據進行編輯，也可通過計算機總線將數據傳輸到存儲器或打印機[11];

（4）虛擬儀器價格較低，可以節省大量的開發和維護費用。

程序框圖如圖5所示。

3.2 平臺設計

將設計的算法中預留的輸入輸出端口與LabVIEW對應端口對接，通過LabVIEW設計的界面將TDOA測量值、運行次數、基站數目輸入，然后選擇對應算法，運行完成后軟件顯示仿真結果，并通過誤差曲線與三維散點圖更直觀地展示定位精度。使用LabVIEW調用myDAQ組件搭建定位平臺，先對DAQ采集到的時間差進行處理，然后再傳入另一個DAQ，以此將時間差從一臺電腦傳輸到另一臺電腦，最后通過LabVIEW搭建的定位平臺對接收的時間差進行定位，構建一個完整的水聲接收定位平臺。在搭建實物時，將2個DAQ對應的數字輸入輸出口（DIO）相連接，并分別將2個USB接口連接到2臺電腦上完成實物搭建。

前面板界面如圖6所示。

4 結 語

運用目前常用的TDOA定位算法及界面編輯與仿真軟件完成對水下聲源定位系統的設計與開發。通過分析仿真結果，本論文所設計的水聲定位仿真系統的性能完全可滿足最初的設計要求。

參考文獻

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