基于虚拟仪器的水下目标回波信号发生器设计

(长江师范学院 电子信息工程学院, 重庆 408003)

0 引言

为了检测水下声信号处理系统功能和技术指标，需要根据目标个数、信号形式、信噪比、时延、多普勒频移等参数产生包含目标反射波、海洋混响、环境噪声等成分的水下目标回波[1]。产生水下目标回波的信号发生器有MCU、CPLD/FPGA、DSP等多种实现方案，但这些方案存在硬件设计调试难度大、开发周期长、可靠性难以保证、灵活性差的缺点，难以覆盖进行全面测试的需求。

虚拟仪器是当前应用在测试测量领域的热门技术。它通过在计算机上添加少量标准化硬件并运行相应测试测量软件就可实现传统仪器的功能[2-5]。虚拟仪器技术包括应用程序开发工具、标准化I/O硬件以及软硬件集成平台三大组成部分。高效的应用程序开发工具使得开发者可以快速创建具有友好的人机相互界面的测试测量应用程序。模块化I/O硬件能够适应日益复杂的测试测量应用，支持开发者创建符合独特应用要求的自定义测量系统。软硬件集成平台使得开发者能够以统一的方式，以更低的成本满足不同的测试测量需求。虚拟仪器具有性能高、扩展性强、开发时间少以及软硬件无缝集成的优势。

在众多虚拟仪器平台中，美国NI公司的虚拟仪器平台以其完善的软硬件开发工具独树一帜。NI创新性地运用了图像化编程和数据流的概念，将硬件驱动、程序逻辑结构、数值与信号处理算法、通信协议等设计为图标式的功能节点，通过对相应节点的简单调用即可快速实现应用功能。其高度易用性和强大功能已使其成为开发虚拟仪器应用的标准平台[6-7]。因此，本文基于NI虚拟仪器平台的强大性能，面向水声系统测试需求，使用LabVIEW软件开发和相关硬件进行一种水下目标回波信号发生器的设计，从而为该类测试仪器的设计实现提供一种新的参考。

1 系统结构及原理

系统基于NI的PXI-1050虚拟仪器平台实现。该平台硬件上为模块式结构，具体包括高性能嵌入式控制器模块、多种信号采集模块以及信号调理模块。所有模块物理上集中在同一机箱，并通过机箱背板上的PXI总线互联。这样，嵌入式控制器模块可以灵活配置和控制其他模块，从而能够适应广泛的应用需求。

基于PXI-1050虚拟仪器平台,信号发生器系统整体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

图1中，系统使用PXI-8187高性能嵌入式控制器实现系统控制和提供人机交互界面。该控制器运行的是Windows操作系统以及系统主控程序(包括回波信号生成程序模块和硬件驱动模块)。在PXI-8187控制下，系统通过PXI总线控制PXI-6070E多功能数据采集卡实现信号的高精度输出。对于PXI-6070E多功能数据采集卡，它同时具有模拟和数字触发功能、2个24位20 MHz计数器/定时器、8条数字I/O线和2路12位模拟输出。回波信号通过PXI-6070E的模拟输出口经屏蔽电缆输出给被测试设备。

系统中使用的PXI总线是基于PCI总线实现模块化仪器和CPU间数据传输的一种重要技术。它通过添加专用系统时钟，并结合触发总线、星形触发总线、局部总线等结构达到高精度定时、同步和数据通信要求。其中参考时钟用作同一测控系统中的多卡同步信号；触发总线用于同步不同PXI模块上的同一种操作，或者控制同一系统中其它模块上一系列动作的时间顺序；星形触发总线可使得从星形触发控制模块发出的触发信号能够同时同步而且迅速的到达其它的模块，保证了系统中每个模块间的精确触发关系；局部总线可用于在模块之间传递信号，也可以进行高速边带通讯而不影响PCI总线的带宽。整体上，PXI的核心内部总线带宽可达到132 MB/s。使用PXI总线，可以针对不同测量信号类型灵活选用不同硬件模块，极大便利多信号数据采集系统的构建[8]。

在软件方面，NI以DAQ VI的形式提供了丰富易用的硬件驱动程序，而且仅需要通过DAQ VI创建数据采集任务后就可以灵活配置数据采集硬件的工作模式并进行过程控制，特别是在DAQmx新一代驱动程序推出后，数据的输入和输出过程被进一步简化，通过DAQmx提供的DAQ Assistant图形接口即可以快速设置测试任务、通道与标度并高效完成实际信号输入与输出工作。所以DAQ Assistant组件可以极大便利系统软件的编写。在提供包括DAQ驱动程序在内的各种硬件驱动、API接口以及配置工具基础上，NI提供了包括ComponentWorks、LabVIEW、LabWindows/CVI在内的多样化的应用软件编程方式和相应开发环境[6-7]，其中，ComponentWorks提供了以标准OLE控件和DLLs提供的高性能编程接口；LabVIEW提供了友好的图形化用户界面和强大的图形语言编程环境；LabWindows/CVI则实现了文本化编程的类LabVIEW编程环境。

图2显示了使用LabVIEW编写的系统主控程序VI。该VI程序为一循环结构。该循环结构内部包括2个子vi。其中Echo.vi实现各种水下信号数据的生成，是整个信号发生器系统的核心程序。与该VI连接的DAQ Assistant将则将信号数据送往PXI-6070E数据采集卡的模拟输出端口实现测试信号输出。在信号输出过程中，它通过检测数据采集卡工作是否超时确定数模转换过程是否正常运行。若发现超时则进行错误处理，避免系统异常挂起。

图2 系统主控程序vi

2 信号产生原理

水下目标回波信号发生器必须能够生成水下信号处理所需要的各种脉冲信号，如单频脉冲、线性调频信号、双曲调频信号、编码波形以及其他设定波形，此外还应产生诸如环境与目标辐射噪声、不同水域的混响的能力，从而其输出信号能够较好模拟水下基阵的输出[1，9]。

2.1 单频脉冲信号

单频脉冲信号的复数形式是:

uc(t)=A(t)ej2πf0t

(1)

2.2 线性调频信号

线性调频矩形脉冲信号和高斯脉冲信号的复数形式分别是:

(2)

(3)

其中:M是线性调频指数且M=B/τ，B为调频带宽,其瞬时频率随时间成线性变化，即:

fi=f0+Mt

2.3 双曲调频信号

双曲调频信号按如下双曲函数规律调频，即:

矩形包络与高斯包络双曲调频信号复数形式分别为:

(4)

(5)

双曲调频信号具有很好的多普勒宽容性，因此检测目标信号所需的硬件复杂度会大大降低，例如当目标的多普勒频移小于窄带多普勒容限时用一个窄带匹配滤波器就可检测到目标信号，但超过了窄带多普勒频移并仍小于宽带多普勒容限时就需要多个匹配滤波器才能检测到目标信号。

2.4 海洋混响信号

图4 基本测试信号输出波形及其频谱

混响是一种伴随着发射信号而产生的特殊形式的干扰。根据混响场特性不同，海洋混响可划分为体积混响、海面混响和海底混响三类。其中体积混响是海水中流砂粒子、海洋生物等对声波散射所形成的混响。海面混响是海面的不平整性和波浪形成的气泡层对声波散射所形成的混响。海底混响则是海底及其附近散射体形成的混响。总体上，海洋混响实质上是一种非平稳的随机过程，由于形成原因的复杂性，对海洋混响的仿真十分复杂。

经过大量研究，人们发现海洋混响的强度与发射信号的能量成正比关系，谱结构和发射信号具有一定相似性，而且混响的瞬时值呈高斯分布，包络则呈瑞利分布。根据海洋混响的统计特性，海洋混响在一定程度上可简化为一个平稳高斯随机时变过程，这样就可以用图3模型对海洋混响进行模拟。

图3 简化的海洋混响模型

图3中模型采用高斯白噪声作为激励。白噪声具有频带宽，能量分布均匀的特征。由于实际环境中的噪声基本上都可归为白噪声，再结合混响的统计特性，所以这里采用高斯白噪声是合理的。在该模型中，高斯白噪声在通过带通滤波器后即成为有色噪声，最后与混响衰减曲线相乘即可得到最终混响信号。

考虑到混响与发射信号的相关性，以及它自身的频率和时变特性，必须要对其生成的噪声按各路混响相关性的要求进行处理，然后再按照发射信号对混响的具体要求进行滤波、放大等处理，以实现发射信号与混响信号的相关性。

3 LabVIEW实现及结果分析

在NI提供的多种应用程序开发工具中，LabVIEW为开发者特别是不熟悉文本编程语言的开发者提供了图形化的编程语言(称为G语言)和大量功能节点。图像化编程语言不同于C、Pascal或Matlab等文本编程语言，它是通过使用功能节点(Node)和数据连线结合图像化的程序流程控制结构实现程序功能。由于为用户屏蔽了大量编程细节，所以能够显著降低应用程序的编写难度，而提供的各种功能节点则帮助开发者显著提高应用程序开发效率。

LabVIEW内置了丰富的数学和信号处理节点。利用这些节点，可以快速实现信号生成、频率分析、概率、统计、数学运算、曲线拟合、插值、数字信号处理等等各种数据分析应用，此外LabVIEW还提供了软件声音与振动、机器视觉、RF/通信测量、瞬态/短时持续信号分析等附加工具，加速。这里，基于上节所述信号原理，利用LabVIEW内置的数学和信号处理节点/附件工具实现各中水下回波信号的生成。

3.1 脉冲信号的生成

令采样频率=200 kHz，单频脉冲信号频率为=25 kHz，线性调频和双曲调频信号的起始频率=18 kHz，截止频率=32 kHz，信号脉冲宽度s。结合前述脉冲信号原理，通过调用相应数值计算vi实现的高斯包络脉冲信号(长度为1 024点)及相应频谱如图4 所示。

3.2 海洋混响信号的生成

LabVIEW提供了Uniform White Noise.vi、Gaussian White Noise.vi、Gamma Noise.vi、Bernnoulli Noise.vi等节点实现各类噪声信号的生成。结合图4所示原理，这里采用Gaussian White Noise.vi。它能够产生均值为0方差为特定值的高斯白噪声信号。

在滤波器方面上，LabVIEW的滤波器函数包括Express VI的滤波器VI、波形调理VI的滤波器VI和函数选板中的滤波器VI三个部分。无论是IIR滤波器还是FIR滤波器都可实现，可传递的信号数据类型也包括波形信号和数组信号两种，可供用户灵活调用。在提供的滤波器类型方面，除常规的巴特沃斯、切比雪夫、椭圆、贝塞尔等类型的等波纹的低通、带通、带阻、高通滤波器Vi外，LabVIEW还提供高级FIR、高级IIR滤波器程序包，通过设置图标的采样频率、滤波器阶数等参数可以实现所需滤波特性的数字滤波器[6-7]。这里选择使用Equi-Ripple BandPass.vi。该VI通过Parks-McClellan算法和高通带截止频率、低通带截止频率、抽头数、低阻带截止频率、高阻带截止频率、采样频率，生成具有等波纹特性的带通FIR滤波器，从而达到在整个频域获得良好均一性的目的。该带通FIR滤波器的低通带频率和高通带频率分别设置为0.09和0.16(按归一化)。在其过渡带设计上，图5给出了阶数分别为8，16，38，64时的滤波器特性。对比可见，滤波器阶数越大，过渡带宽就越窄，滤波性能越好，但相应等会造成计算量显著增加的问题。所以，为平衡滤波性能和计算开销，确定抽头数为38，此时可以同时获得较好的过渡带宽和较小的纹波水平。

图5 滤波器阶数与滤波器特性

对于海洋混响的生成，混响衰减曲线的选择是另一个关键点，本文根据不同的混响类型选择经典的衰减曲线。体积混响、海面混响、海底混响的衰减曲线分别为:

图6是应用G语言编程得到的体积混响程序框图，图7是相应的体积混响效果图(波形数据长度为1 024点)。可见对体积混响的模拟是较好的。

图6 体积混响曲线的G语言实现

图7 体积混响衰减特性曲线

3.3 目标回波的模拟

水下目标存在距离、方位和速度特征，距离参数可以通过回波时延反映；对接收基阵而言，目标回波在各阵元间的时延差则反映了目标方位信息；当目标移动时候产生的回波多普勒频移反映了目标的移动信息，综上，目标回波是经过时延、多普勒频移的发射信号、再叠加混响、环境噪声后的信号，图8是高斯包络双曲调频信号为发射信号时得到的回波波形。

图8 高斯包络双曲调频信号的回波波形

通过合理调用LabVIEW提供的数学与信号处理组件，按照相关数学模型采用图像化编程，能够获得相应数学特征的信号。随后，生成的各信号均通过DAQ Assistant VI进行硬件输出。该VI的使用步骤如下：1)将DAQ助手置于程序框图中。即在程序框图上右击并选择Express≫Output≫DAQ Assistant，然后鼠标左击即可将DAQ 助手置于程序框图上；2)配置DAQ 助手的输入或输出类型。即选择Generate Signals≫Analog Output≫Voltage，选择PXI-6070E设备并选择数据通道；3)配置生成任务。将Generation Mode选择为 Continuous Samples，对Samples to Write输入128，确认Use Waveform Timing以及自动建立While 循环等配置选项；4)将所生成的信号接入DAQ Assistant VI左侧的信号输入端。最终，生成的信号通过PXI-6070E多功能数据采集卡的预设数据通道进行实际输出。

4 结束语

本文设计了一种基于虚拟仪器方案的水下目标回波信号发生器。在NI PXI-1050虚拟仪器平台上，利用其强大的信息处理与数据吞吐能力获得了快速、稳定、可靠的系统性能。利用NI虚拟仪器技术统一灵活的硬件结构和LabVIEW快速便捷的图形化编程方法进行系统实现对于与构建以MCU、CPLD/FPGA 、DSP等处理器为核心的嵌入式系统的实现方案具有更好的灵活性、扩展性和时间成本优势。因此，本系统设计方案具有较强的工程和实用意义，为今后类似系统的开发提供了一定参考。

参考文献：

[1] Etter P C.水声建模与仿真[M]. 北京: 电子工业大学出版社,2005.

[2] 李丹丹. 基于LabVIEW的加气站监控系统设计[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学，2013．

[3] 杨文裕. 基于LabVIEW的手机硬件测试工具的设计与实现[D]. 北京:中国科学院大学，2015．

[4] 李 斌,赵 珩.基于LabVIEW的应答式水声定位系统目标模拟器[J].舰船电子工程,2012,32(10):90-91,112.

[5] 张志敏,路敦民,张厚江,等.基于LabVIEW及PLC电机运动控制系统的设计[J].测控技术,2016,35(1):56-60.

[6] 特拉维斯 J， 克林 J.LabVIEW大学实用教程(第三版)[M].乔瑞萍等译.北京:电子工业出版社,2016.

[7] 周 鹏,等. 精通LabVIEW信号处理[M]. 北京:清华大学出版社, 2013.

[8] 谭 勇, 朱 斌. 应用NI虚拟仪器平台快速实现信号采集与分析[J]. 绵阳师范学院学报, 2008, 27(2):94-96.

[9] 赵航芳,祝 献,宫先仪.混响背景下的信号检测[J].哈尔滨工程大学学报,2004,25(1):34-37.