基于LabVIEW的应答式水声定位系统目标模拟器＊

2012-06-07李斌赵珩

舰船电子工程 2012年10期

李斌赵珩

（91388部队94分队湛江 524022）

1 引言

应答式水声定位系统［1］是潜艇试验必须的测量设备，其任务是为水下潜艇提供精确导航定位，解决潜艇在水下不同工况条件下的航行机动性能参数测量问题。该系统可以在潜艇及有关的武器系统试验中，实时地为潜艇导航定位，保障潜艇在水下试验中能安全、可靠、协同地机动，是靶场重要的基础测控设备。应答式水声定位系统是预先在海底布设应答器基阵，试验前测阵校准各阵元位置。水下潜艇上装有水声收发机，在同步信号的触发下周期性地发射询问声信号，水下各应答器收到询问声信号后应答其相应频率的应答信号，水声收发机收到应答信号后，通过同步脉冲前沿测时测得“询问—应答—接收”的双程声传播时延［2］，即可确定潜艇到各应答器之间的距离，通过空间曲面交汇法解算出潜艇的空间坐标，从而实现潜艇实时自导航。为适应新的试验任务，我们对应答式水声定位系统软件及阵型进行了改造，原有的模拟器只能通过模拟电信号进行调试，不能实现对系统的水声调试，鉴于原有的模拟器升级改造难度大、代价高，本文Labview和VC作为软件开发平台，PXI4461采集卡等作为硬件平台，开发虚拟信号模拟器，可模拟应答式水声定位系统测阵、导航与定位监测的应答器的应答声信号，在实验室模拟还原整个研练保障测量过程。

虚拟仪器［5］VI（virtual instrument）这一概念最早是由美国国家仪器公司（NI）在20世纪80年代提出来的，它主要由计算机、虚拟仪器软件及仪器硬件三部分组成。用户可以通过修改软件就能改变其功能。虚拟仪器是计算机技术和测量技术相结合的产物，它的出现给测量技术带来了变革，相对于传统仪器的物理面板，虚拟仪器具有一个十分友好的图形方式软面板。虚拟仪器应用软件集成了信息采集、测试控制、数据分析、结果显示输出和用户界面等功能，用软件替代了部分或全部的硬件，因此可以认为软件就是仪器，它是现代测试仪器系统的核心。

LabVIEW是虚拟仪器开发过程中最具代表性的图形化编程语言［6］（G语言），它用图标、连线和框图代替传统的程序代码，可以形象地观察数据的传输过程。LabVIEW是目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一，它具有十分强大的功能，如数值运算、信号处理、数据分析、数据采集以及图形获取和传输等。LabVIEW程序是数据流驱动的，主要由三个部分组成，即前面板、框图程序和图标／接线端口。

2 应答式水声定位原理

图1 应答式水声定位系统定位原理图

试验前在海底预先布设应答器基阵，在同步信号的触发下，目标潜艇上加装的水声收发机周期性地发射测距询问声信号，水下各应答器收到询问声信号后应答其相应频率的应答信号，水声收发机收到应答信号后，通过同步脉冲前沿测时，测得“询问—应答—接收”的双程声传播时延，乘以声速即可确定目标到各应答器之间的往返距离，从而得到空间椭球面交汇方程组，求解该方程组得出目标所处的位置，逐点定位解算得到目标的运动轨迹，由此为水下目标定位导航。

3 应答式水声定位系统模拟器设计

利用LabVIEW和VC作为软件开发平台，PXI-4461作为硬件平台，开发虚拟信号发生器，可模拟应答式水声定位系统的绝对测阵、导航及定位监测的应答器声信号，可以在实验室对系统的试验过程进行模拟还原，从而实现接近海试条件下的系统实验室联调和训练。

3.1 模拟器系统硬件结构设计

模拟器主要由控制计算机和PXI-4461采集卡组成，控制计算机提供人机交互界面，设定应答信号的参数，信号发生器和控制计算机通过PXI总线进行通信，负责将控制计算机上LabVIEW软件生成的信号数据转换成模拟应答信号，在同步周期为8s的触发信号下每次生成6组应答声信号，通过发射换能器将信号发送出去。水声收发机通过接收换能器接收模拟应答信号，并通过串口将数据发送给主控计算机，主控计算机上的长基线导航软件根据接收的数据就可以绘出模拟目标的轨迹。

图2 模拟器信号流程框图

3.2 模拟器系统软件结构设计

模拟器的软件系统是在Windows XP的平台上使用VC和LabVIEW 2010开发完成的，通过PXI总线实现控制计算机和信号发生器之间的命令和数据传输。

3.2.1 利用VC软件进行模型设计

1）概述

利用VC软件预先设定模拟目标的轨迹，本软件中根据设计需要，模拟布放了10个应答器，模拟目标的轨迹如图3所示。

2）时延数据生成

VC编写的程序可以修改各应答器、浮标、目标就位点、测量周期、目标航速等参数，考虑到最大模糊周期的问题，所取时延值要去最大值，应答器的编号代表了每个应答器发射的频率，根据设定的轨迹，通过求反解，本程序所得的时延值如表1所示：

图3 模拟目标预先设计的轨迹

表1 生成的时延数据

3.2.2 信号生成模块

利用LabVIEW语言编写程序，以NI PXI-4461采集卡为硬件平台，LabVIEW程序根据上面VC程序生成的时延数据和应答器的编号，产生相应频率的应答器的模拟应答声信号。产生的模拟应答声信号通过换能器可以和水声收发机进行水声通信。信号生成模块的软件系统主要由以下几部分组成：

1）前面板设计

LabVIEW的前面板，即交互式界面［3］，用于设置输入数值和观察输出量，在前面板中，使用了各种图标如开关、实时趋势图等来模拟真实仪器的面板，并可如同操作实际仪器一样方便地调节输入参数和进行输出模式定制。本文中前面板的设计，充分发挥了LabVIEW的特长，即建立了友好的人机操作界面，实现的功能主要有以下几点：

·软件系统在启动后首先将信号发生器初始到如下状态：系统数采样率为204ks／s，采样周期为8s；

·应答声信号的强度可调，大小为0－1V；

·每8s同时产生6组应答信号；

·模拟目标的轨迹开始周期可调；

·程序的前面板可显示每组应答声信号的频率。

2）程序模块设计

本实验系统的框图程序可分为数据读取、数据分析、信号生成和显示三个主要模块。

数据读取：编写读取文本文件，读取模拟应答声信号的频率和时延值。

信号生成和显示部分：根据设计需要，同步周期设为8s，每个周期生成6组应答信号，利用LabVIEW的采集生成模块进行编写，并通过采集卡将声信号发送给换能器。

4 实验室试验结果

利用水声收发机和PXI-4461采集卡搭建好的硬件平台，通过操作模拟应答器软件产生应答声信号，长基线导航软件根据接收的模拟应答器声信号定出了目标的轨迹，比较图3和图4的轨迹可知，测得的轨迹和我们预先设定的轨迹吻合，证明通过模拟器产生的应答声信号符合我们的设计要求，可模拟应答式水声定位系统的绝对测阵、导航及定位监测的应答器声信号，可以在实验室对系统的试验过程进行模拟还原，从而实现接近海试条件下的系统实验室联调和训练。