激光多普勒测振计信号采集和处理系统设计

2016-02-29王晶晶尚建华

电子科技 2016年1期

关键词：采集卡调用多普勒

王晶晶,尚建华,贺　岩,罗　远

(1.东华大学信息科学与技术学院,上海　201620;2.中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心,上海　201800)

激光多普勒测振计信号采集和处理系统设计

王晶晶1,尚建华1,贺岩2,罗远2

(1.东华大学信息科学与技术学院,上海201620;2.中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心,上海201800)

摘要为实现激光-水声浅海地形遥感探测中,激光多普勒测振计的数据采集和处理,解决数据采集处理中采样率低、人机界面操作不便、在线处理不及时、采样通道数目少等问题,设计了一种可视化的信号采集和处理系统。借助VC++编程技术,对PCI5616数据采集卡进行了二次开发,实现了激光多普勒测振计输出信号的采集、实时显示、保存以及在线处理。实验表明,该信号采集处理系统能满足实际水面测量的工作需求,有效实现了激光多普勒测振计输出信号的实时采集与处理,并具有操作灵活、实时性强、集成度高等特点。

关键词激光多普勒测振计;信号采集;在线处理;PCI5616数据采集卡;消息机制

Design of Signal Acquisition and Processing System for Laser Doppler Vibrometer

WANG Jingjing1,SHANG Jianhua1,HE Yan2,LUO Yuan2

(1.College of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China;

2.Research Center of Space Laser Information Technology,Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,

Chinese Academy of Science,Shanghai 201800,China)

AbstractA visual data acquisition and processing system is presented to satisfy the signal processing specification of the laser Doppler vibrometer (LDV) working for the optic-acoustic remote sensing of the shallow terrain and to resolve the questions of low sampling rate,inconvenient man-machine interface and the less number of channels for sampling.VC++ is employed in the post-development of PCI5616 to achieve real-time display,acquisition,storage,and real-time data-processing of the signals.With good processing capacity,flexible operation,good real-time performance and high integration,this data acquisition and processing system realizes the real-time acquisition and processing of the output signals of LDV and meets the demand of topographic mapping under the hydrodynamic water surface.

Keywordslaser Doppler vibrometer;data acquisition;real-time process;PCI5616;messages mechanism

由于浅海大部分区域的水深均在百米以内,且浑浊度普遍较高,传统的海洋遥感系统通常以母船或者拖曳体为载体,并采用声波探测技术实施测量,其机动性和灵活性有限,因而难以完成大范围、快速、高效的动态环境测量。较传统的声波探测技术而言,借助水面实现光声信息转换的声-光耦合技术,突破了传统激光遥感的探测局限,使得基于空中平台的测量技术具备一定的海水深度穿透能力,进而为航空遥感水下环境提供了一条新的技术路线[1]。

激光多普勒测振计是实现声-光耦合、浅海地形遥感探测的重要组成部分,激光多普勒测振计应用多普勒效应,利用激光的高相干性测量水面的振动速度,进而获取水下声信息[2]。由于激光多普勒测振计实现声光探测的真实工作环境为动态水面,水面处回波信号光会因动态水面波动而发生实时改变,致使回波信号光偏离测振计接收视场范围,造成信号丢失,影响系统的探测率。因此,采用多路激光多普勒测振计实施测量,可提高回波信号光的捕获概率,增强系统的适用性。

综合考虑多路激光多普勒测振计的工作环境特点以及系统输出信号的频谱特征,采用数据采集卡PCI5616设计实现多路激光多普勒测振计的信号采集和处理,进而获取水面的振动信息和水下声信号的分布特征[3-4]。

1信号采集和处理系统设计

1.1　数据采集卡PCI5616

数据采集卡PCI5616是一款4通道同步并行高速数据采集卡,非实时采集时每通道的最高采样率可同时达到5 MSimple·s-1,内部A/D的转换精度为16 bit,并配有16 kB的FIFO,且板载缓存可增加至512 MB。同时,兼容32位PCI Specification Version 2.1总线接口标准,具有即插即用(PnP)的功能,并支持DMA实时数据传输。利用PCI5616的并行同步扩展总线还可扩展得到更多数据采集通道,实现多通道高速动态信号的实时记录,满足多通道并行同步采集的应用需求[5-7]。

因此,基于PCI5616数据采集卡,可选用VC++开发工具,实时实现多路激光多普勒测振计的信号采集,并能够对采集信号进行处理,最终获得水面的振动信息和水下声信号特征。

1.2　信号采集

信号采集采用Windows消息机制实现,以更好满足实时采集中响应时间的要求,操作界面的具体设计流程如图1所示。在信号采集工作开始前,首先在硬盘中创建16进制数据存储文件,用于保存实时采集得到的信号。其次,打开动态库,将信号采集所需的采集类函数封装在OpenTopdll()函数中,完成采集准备工作,PCI5616采集卡中的采集类函数都是以dll形式给出的。

准备工作完成之后,首先分配系统内存,确定采集到的信号的临时存放位置。其次,设置系统参数,包括通道耦合方式、通道滤波器带宽、K系数、每通道量程范围、每通道偏移量、通道采集是否允许、采集触发模式、触发源类别、总线触发逻辑、通道触发逻辑及触发电平值、采样时钟源、采集长度、外时钟频率等,以上采集参数均需在每次采集前重新确认设置。待设置部分参数只需设为相应的索引值即可,例如CtrlBlock[i].smpclk_idx[j]=2,表明设定PCI5616数据采集卡的每通道采样率为2 MSimple·s-1。

采集参数设置完毕,数据采集卡调用采集函数pTopDllEx→Acq(i,0xff)启动数据采集,并发送消息Top_Trgevent到上层应用程序。当数据采集卡工作在触发方式时,当且仅当外触发信号到达后,数据采集卡才能保存指定长度的数据,指定的数据长度即为参数设置中设定的采集长度。指定长度的数据采集结束后,系统将不再保存采集得到的数据,并发送Top_Acqover消息结束采集过程。单次数据采集结束后,调用StatusCheck函数,检测采集卡的当前状态,并将该状态信息返回到相关结构变量中,以进行后续数据读取操作。数据采集卡的工作状态包括准备采集、正在采集以及结束采集3种。在数据读取时,调用Pack函数取出采集卡保存的数据,并将该部分数据写入数据采集开始前创建的数据存储文件中。然后,调用this→Invalidate(TRUE)和OnDraw()函数,实时显示本次采集到的数据信息。

图1　操作界面设计流程图

如需再次进行信号采集,则要重新设置采集参数,依次执行信号采集命令。否则,调用函数Stopacq(),终止采集卡的工作过程,并在MFC视图类中执行动态库关闭命令(CloseTopdll命令)。

1.2.1数据采集卡的控制

数据采集卡控制功能的实现在于准确调用数据采集卡PCI5616提供的API函数,API函数是以动态链接库的形式提供的,该类函数的调用顺序要符合逻辑要求。通过调用相关API函数,即可实现对数据采集卡硬件的控制,达到层次性结构管理的目的。此外,为实现操作系统的实时控制,可采用直接处理硬件实时中断服务工作方式。

图2所示为API函数的调用流程。首先,对数据采集系统进行自检和初始化处理;其次,调用采集类函数,依次执行硬件参数设置、采集启动、采集卡状态检测以及数据打包和头文件信息获取等功能命令;最后,关闭动态库,完成API函数的调用。每次数据采集时,上述函数的调用过程均需顺序执行一次。

图2　API函数调用流程

1.2.2采集信号的显示和保存

(1)信号显示。信号采集处理系统要求具有丰富的操作功能,主要包括采集信号的实时显示、保存、采集方式的选择以及每通道量程和采样率的设定。在采集方式方面,由于信号采集处理系统是利用脉冲信号触发而开始信号采集的,且每次触发的时间间隔为1 s或2 s。所以,信号采集选用多次采集的工作方式。其次,每通道的量程可以在±10 V、±5 V、±2 V和±1 V中切换。由于数据采集卡PCI5616的非实时采集最高采样率为5 MSimple·s-1/通道,实时采集最高采样率为2 MSimple·s-1/通道,因此,数据采集处理系统设定为采样率可选形式,以满足不同的应用场合。

信号采集处理系统要求具备采集信号的实时显示功能以及信号处理结果的实时显示功能,因此,在信号显示功能实现过程中,借助Windows API函数invalidate()实现该要求。Invalidate(true)函数的作用是擦除显示背景,使整个显示窗口客户区无效,表明窗口客户区需要重绘。同时,Windows会在应用程序的消息队列中,调用消息处理函数OnDraw(),并放置WM_PAINT消息,最终实现数据的显示[8-9]。

(2)信号保存。在实时显示采集信号的同时,还要进行采集信号的实时保存,以满足激光多普勒测振计输出信号的离线分析和后处理需求。以4通道信号采集为例,信号保存结构如图3所示,数据头记录了数据采集卡以及本次采集的相关信息,而4个通道的信号则是以采集时间为准,逐一保存在数据存储文件中的,在4个通道信号的第一点数据全部保存结束之后,再依次记录4个通道的后续采样结果。

图3　信号保存结构

1.3　信号处理

信号处理是激光多普勒测振计有效获取水面振动信息的重要手段,信号处理算法如图4所示,可分别借助离线处理和在线处理两种方式实现。离线处理方式中,数据采集卡PCI5616采集并保存原始信号,再利用Matlab对该信号进行离线处理,进而提取水面的振动信息;在线处理方式中,直接对采集得到的信号进行处理,并实时在线显示处理结果,较离线处理方式而言,在线处理实时性强,缩短了系统的反应时间。

图4　信号处理算法

2性能测试与实验结果

多路激光多普勒测振计的信号采集和处理的操作界面如图5所示,工具栏中包含文件、编辑、查看、量程、采样率等内容,可设定采集数据保存路径以及数据采集参数。另外,增加4个快速访问按钮,以使初始化系统、采集次数设定以及停止采集的控制更加便捷。根据激光多普勒测振计信号采集的要求,采集过程可分别设定为单次采集、多次采集和连续采集3种方式[10-11]。

为验证激光多普勒测振计信号采集和处理系统的工作性能,进行了一系列实验验证,主要包括实验室内模拟实验和外场实验。

实验室内,设定数据采集卡PCI5616的采样通道数为2、每通道采样率为2 MSimple·s-1、量程范围为±2 V。图5所示为信号采集和处理系统双通道信号采集的实时显示结果,一路信号为频率为1 kHz、幅值为1.5 V的正弦信号采集显示,另一路为未连接信号时数据采集卡的固有输出显示结果[12-14]。

图5　信号采集和处理系统的操作界面

在浙江省千岛湖进行的水声信号外场测量实验中,数据采集卡PCI5616实时采集并保存激光多普勒测振计输出的两路信号I(t)和Q(t),且数据采集卡工作在外触发方式。激光多普勒测振计两路信号的分布规律如图6所示,纵坐标为信号幅值,横坐标是数据采集卡采样点数。实际测量环境下,湖面的晃动导致水面处的回波光信号偏离激光多普勒测振计的接收视场。因而,图6(a)中PCI5616采集得到的激光多普勒测振计的输出信号时断时续,且返回接收视场的回波光信号越强,信号的幅值越大。图6(b)为有回波信号返回系统时激光多普勒测振计输出信号的细节信息。由此证明,信号采集和处理系统工作正常,能够满足激光多普勒测振计的信号采集处理需求。

图6　激光多普勒测振计输出信号及其局部分布特征

3结束语

本文基于数据采集卡PCI5616设计实现了用于激光多普勒测振计的信号采集和处理系统,系统的采集方式、采样速率、量程范围等参数均可调。实验表明,该系统可达到激光多普勒测振计的信号采集和处理要求,能有效实现实际水面的振动信号的采集、存储和在线实时处理。因此,对于水面振动特征的提取以及水下声信号的获得具有重要的现实意义。

参考文献

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