声呐水下分机信号分析和故障判断装置的设计与实现

盛成明，徐宏水，陈 昕

(海军702厂，上海 200434)

综合声呐是舰艇的主要声呐装备，其日常维修保障就显得尤为重要。通常综合声呐包含水上分机和水下分机2大部分，其中水下分机包含发射和接收换能器、单条接线盒、自耦合变压器、前置放大器、声障板、总接线盒等。水下分机的主要功能是接收目标信号，并对目标信号进行放大。其工作状态直接关系到声呐系统对水下目标的检测能力。目前对水下分机维修采用的检测手段是舰艇进坞，将导流罩的水排空后，逐一对水下分机相关部件进行检测判断。由于进坞前无法及时掌握水下分机的工作状态，一旦检测出故障，给维修器件筹措、维修周期确定、坞期时间排定带来极大不利，影响相关部门的维修决策。因此研制一套声呐水下分机信号分析与故障判断装置，能够在舰艇不进坞的状态下对水下分机故障进行判断和定位，及时发现水下分机的故障和隐患，为水下分机及时有效的精准维修，提高维修效率，降低维修成本，为相关部门的维修决策和判断提供有力依据。

1 系统总体设计

声呐水下分机信号分析与故障判断装置的原理框图如图1所示。

将从水下分机实时接收到的32路信号进行A/D转换后储存,依次从32路中取出2路进行频谱分析,将32路的频谱分析结果储存并进行比对,找出对应的故障通道.同时将所存储的32路信号进行噪声能量检测,找出偏离平均值3 dB以上的通道。根据上述2种方法分析比对，判断所对应的水下分机的故障通道及故障类型[1]。

图1 总体设计原理框图

声呐水下分机信号分析与故障判断装置具备对综合声呐前放输出信号进行信号分析(多通道时域频域信号、通道实时交直流分量、干扰分量分贝值和通道间信号相关性分析)；通道故障判断；通道信号录音与回放，通道信号实时监听等多项功能。

2 系统硬件组成

本装置采用PXI总线，主要由机箱、同步采集卡、多通道选通卡、信号转接装置、自检电路等组成，利用选通卡对8路信号实现8选1，再采用同步采集卡实现信号的同步采集。其系统硬件的组成框图如图2所示[2]。

图2 系统硬件组成框图

2.1 机箱

机箱选型ADlink PXIS-2506，该机箱为3U 6槽PXI/CompactPCI机箱，配有1个系统槽和5个外围槽，集成PXI的所有功能，10 MHz时钟参考，星型触发、局部总线和1个触发总线。PXIS-2506配有250 W 交流CompactPCI高可靠、无间断供电电源模块，可从前面板直接插拔，便于现场更换，缩短了MTTR(平均修复时间)。同时选择ADlink PXI-3920作为与PXIS-2506机箱配套使用的嵌入式控制器，该控制器上采用了多种测量仪器插口和可靠的机械及电器设计。

2.2 同步采集卡

整个硬件系统中最重要的部分为多通道同步采集卡。多通道同步采集卡的选择主要基于以下考虑：一是前放输出信号为mV级，采集精度应为100 μV量级；二是考虑到通道之间信号的相关性，选择相邻通道信号进行采样；同时还要兼顾通道故障判断的样本数，确定同步采集卡为8通道同步采样；三是由于接收信号频率为0～10 kHz,单通道信号采样频率≥20 kHz。综合考虑后选择了ADlink PXI-2022，该采集卡为16位、16通道数据采集卡，采样频率250 kHz,电压范围±2.5 V或±10 V，能满足设计要求[3]。

2.3 多通道选通卡

采用多通道选通卡可以大大降低开发成本。针对综合声呐水下分机64个信号通道，8路同步采集，需要8个8×1多通道选通卡。选择NI公司的PXI-2576多通道选通卡。该选通卡拓扑可以为2线 16个4×1、2线8个8×1、2线 4个16×1、2线 2个32×1和2线 1个64×1中任何一种。

2.4 信号转接装置

信号转接由64路输入到多通道选通卡端子板的连接线以及多通道选通卡端子板到同步采集卡端子板的连接线2个部分组成，如图3所示。

图3 信号转接装置

信号转接装置将输入的64路信号进行奇、偶序号分组，每组各32路，每32路再分为4组8路，分别送至相应的Din-20P-01端子板，由多通道选通卡控制通道的开闭。每个端子板输出1个信号通路，8个端子板共输出8路信号送至Din-68S-01端子板。通过Din-68S-01端子板与数据采集卡的连线将8路信号送至数据采集卡进行信号采集。

2.5 自检装置

设计自检装置目的是通过利用标准正弦信号对数据采集系统和各主要功能模块进行功能和性能检查。自检装置产生正弦信号频率为1 kHz，输出电压500 mV。产生的8路信号通过Din-68S-01端子板送至数据采集卡。

3 软件模块设计

软件基于Windows XP操作系统，采用Labview语言编写,开发环境为Labview2009。Labview(实验室虚拟仪器平台)是一种可视化开发平台，基于图形开发调试和运行程序的集成化环境，借助虚拟前面板用户界面和方框图建立虚拟仪器应用程序。

应用程序主要功能模块有：相邻8通道信号同步采集与处理模块、故障类型分析与判断模块、通道信号监听与录音模块以及系统自检模块，各模块之间相互独立。系统通过动态加载的方式实现各模块之间的切换[4]。

软件实现通道选择切换、多通道数据同步采集、信号交流直流分量，通道相关性分析，通道故障诊断，时域频域信号监测，信号录音与回放等主要功能。

1)通道数据同步采集与处理。8通道数据同步采集与处理模块结果显示分3个部分：一是选择通道信号的时域和频域波形显示；二是选择通道信号的直流、交流以及分贝值显示；三是通道间信号相关性显示。

2)信号时域和频域。实现信号时域和频域目的是通过观察信号时域和频域的差异，观察和分析出故障通道。输入参数为监听通道选择、采样频率、采样点数、起始通道和最大电平。显示区域为信号的时域和频域波形，其中信号频域计算采用FFT法(快速傅里叶变换)[5]。

3)信号直、交流分量和分贝值。信号直、交流分量和分贝值显示的目的是通过观察通道之间的直、交流分量和分贝值对故障进行分析和判断。信号交、直流分量是通过采集当前通道交流与直流值，并用柱状图显示出来，并同时显示出该通道的分贝值。

4)通道间信号相关性模块。通道间信号相关性模块可比较两路通道信号的相关函数，以及它们与参考通道之间的相关系数。可显示通道间信号相关性界面，其中输入参数为相关参数，显示选定通道与通道计算的相关函数；选择参考通道，显示各路与选定通道的相关系数。

5)故障类型分析与判断。故障类型分析与判断模块的实现原理是对故障通道逐一扫描、采集信号并实现故障分析判断。该模块结果显示分为64通道时频域显示、64通道4指标直方图、故障类型分析3个部分。

(1)64通道时频域显示。界面可显示水下分机示意图，通道号为1～64，每个通道对应1个绿色指示灯。“灯灭”时表示当前通道未扫描，“灯亮”时表示当前通道正在被扫描中。扫描时，系统机箱中还会伴有“嗒”的声音。扫描后，所有通道信号被存储后，以强度图的形式显示在“空时分布图”中。信号经FFT后，显示“空频分布图”。采用“空时分布图”和“空频分布图”2种形式显示信号的优点是能准确掌握信号的变化特点，从而找出故障通道。

(2)64通道4指标直方图。系统计算出所有通道信号的4个指标分量：50 Hz干扰分量、支流分量、交流分量、相关系数。计算这4个指标分量的优点是：能从指标量化的角度发现故障通道。

(3)故障类型分析。根据对水下分机的主要故障和其相应的信号特征分析，故障信号特征可分为3大类：一是信号对地短路故障；二是前放开路故障；三是水听器损坏。显示故障信号特征与50Hz干扰分量、支流分量、交流分量、相关系数的相应关系，得出故障结论。

6)信号监听模块。信号监听模块实现对声呐水下分机通道监听。可利用扬声器或外接耳机对选择通道进行监听，也可从监听声音中对通道的状态进行故障初判。

信号监听模块界面，输入参数为通道选择，采样频率，采样点数和最大采样电平。

播放设备为本装置的声卡标示名称。通道采样点数表示缓存中对信号采样的点数。通过音量调节旋钮可对音量大小进行控制。录音模块为监听的通道进行录音，数据保存可以采用.wav和.tdms格式并可以设定保存数据的路径，可用windows播放器播放，也可以用信号录音回放模块进行回放。

7)信号回放。信号回放可以对需要保存的数据进行重新读取。信号回放界面首先添加之前在信号监听模块中保存的文件，然后加载至播放列表，同时双击文件则可以从耳机中听到之前所录音的文件的声音。

4 结束语

声呐水下分机信号分析与故障判断装置的研制，硬件整体构架采用COTS技术、软件构架采用模块动态加载技术，把信号处理技术应用在声呐水下分机检测与修理上，利用频谱分析、功率计算和相关性分析等信号处理技术，分析通道可能存在的故障，能及时判断水下分机故障特性及故障部位，改善了以往检测方式自动化程度低、灵活性差、检测效率低的缺点，极大提高了维修效率；将虚拟仪器技术应用在声呐水下分机检测与修理上，在少量硬件的基础上，实现众多电参数的综合检测，方便进行信号处理分析和显示结果，采用了选通卡+同步采集卡实现对多达64通道的信号采集，系统结构简单、组建方便，有很好的性价比，软件界面友好，为声呐水下分机的检修维护工作提供了便利，满足了综合声呐修理的实际需求。