一种可编程同步声信号源设计与实现∗

2021-10-11刘百峰

舰船电子工程 2021年9期

刘百峰

（91388部队湛江 524022）

1 引言

在水下目标定位过程中，经常使用同步声信标作为合作目标信号源，由于水声信号频段范围受限，这就要求同步声信标的发射信号具备品类复杂多样、发射信号总数较多等特点。基于此要求，设计了一种可编程同步声信号源［1］。

虚拟仪器［1］是应用于通用计算机上的一种软件与硬件的组合，以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（GPIB，RS-232VXI等）为基础［2］，直接利用计算机丰富的硬件（微处理器，存储器，显示器等）和软件（软面板，图形界面数据处理，信息交换等）资源，将计算机和测量组件等硬件资源与计算机软件资源有机地结合起来，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。本文结合实验的需要，利用NI PCI-4461采集卡等硬件，使用 LabVIEW2010［2］虚拟仪器开发环境设计开发了一种水声信号发生器［3］，该信号发生器能够为水声学实验提供所需的各种信号源，并可以实现任意波形的编辑、输出显示、波形分析及数据存储。

2 编程同步声信号源硬件设计

“可编程同步声信号发射”子系统原理框图如图1所示，包含信号发射程序主控PC上位机、NI USB-4431 D∕A输出卡、时间统一设备、3kHz～9kHz功率放大器、匹配器、4kHz～8kHz宽带发射换能器［4］。

图1中，PC上位机运行“可编程声信号源发射软件”根据数据发射表，生成待发射定位信号样本数据，写入NI USB-4431 D∕A输出卡中缓存区，并设置D∕A卡处在外部触发模式下；时间统一设备设置输出5s周期同步脉冲信号，送至USB-4431 D∕A卡［5］；D∕A卡在收到触发信号后，将缓冲区中数据以规定采样频率连续输出至3kHz～9kHz功率放大器；信号经功率放大、匹配电路驱动、4kHz～8kHz宽带发射换能器，最终完成合作声信号发射。

图1 可编程同步声信号源原理框图

每次启动“可编程声源发射软件”，可自动、逐个发射信号表中72个声源信号，每个定位信号前沿均与北京时间严格对齐，实现信号同步［6］。

3 可编程声信号源发射软件设计与实现

可编程声源发射软件使用NI公司的LabVIEW软件开发平台，完成开发设计，其应完成的主要功能如下。

1）按照发生样本表，生成符合要求的合作声定位信号［7］；

2）根据发射序列表中源级要求，完成生成信号的幅度控制；

3）在前次信号发射完毕后，下个同步触发信号抵达前，将样本数据转存至DA输出卡；

4）设置DA输出卡为外部触发输出模式，等待时统信号抵达触发发射；

5）待发射信号时域、频域显示功能；

6）发射序列表格加载、显示功能；

7）发射源级微调整功能；

8）发射信号日志记录功能。

可编程声信号源发射软件前面板如图2所示。

图2 可编程声信号源发射软件前面板

该软件借鉴参考虚拟仪器软件设计思路，以简化海上操作流程。同时，该软件提供必要的数据、表格、信号时域频域显示、发射进程显示、信号源级控制等控件。软件设计中增设了错误状态监测等处理等代码，以尽可能规避海上作业时，由于操作失误导致系统故障瘫痪等情况的发生。

可编程声源发射软件使用LabVIEW软件开发平台提供的“G语言”完成软件编码［8］。图3为本系统的“G语言”实现代码，图中显示，该程序主体由变量初始化、发射信号表文件打开与日志文件打开、发射信号表文件校验与信号样本生成、等待时统信号、信号循环加载DA卡缓冲并设置DA卡模式、资源销毁文件关闭合计6个顺序结构［9］。其中，发射信号表文件打开、发射信号表文件校验与信号样本生成两个顺序接口代码如图4。

图3 发射软件图形代码总览

图4 发射信号表生成代码

发射信号表文件保存了几类信息：1）发射信号种类，CW、LFM、PN码序列；2）发射信号的详细参数，如CW脉冲宽度，载波频率、PN码信号阶数、调制码率等；3）每个发送信号源级信息［10］；4）每个信号的发送次数。

若程序首次运行，将使用发射信号表，使用对应信号生成子函数，依次生成信号样本文件，并以“.wav”格式保存至程序子目录下。若根目录下存在样本文件，就按照发射信号表校验所有“.wav”样本文件。若发生错误，则程序退出。若无错误，就在程序前面板，显示信号样本表，以便操作员查阅。

顺序结构“信号循环加载DA卡缓冲并设置DA卡模式”是本声信号源的主要工作结构体。图5（a）、（b）为该结构中最核心的两个子顺序结构。

图5 信号循环加载DA卡缓冲并设置DA卡模式代码

图5（a）的工作为按照发射信号表，在对应控件中显示下次待发信号种类、参数与源级信息，更新发射进程显示控件，方便操作员获取发射状态。

图5（b）的工作：1）读取下一个要发射的样本数据文件，经源级幅度修正后，刷新显示至发射信号时域、频域显示控件。2）调用“触发输出数据.vi”子函数，设置DA卡采样频率、设置DA卡工作模式为“触发输出”，将经幅度修正后的待发信号送至DA输出卡缓冲区，而后阻塞运行，等待触发。触发并输出信号后，若还有信号待发，则循环至图5（a）中程序，否则进入“资源销毁”顺序结构，等待程序退出。

4 海上试验及数据处理结果

某工程船装载“可编程声信号源发射系统”，发射换能器吊放至水下45m，模拟待定位目标上应装载的合作同步信标；某试验船某型声纳对“可编程声信号源发射系统”进行定位，某试验舰按照预定航路分别在O1至O4点停车，对P点声源目标完成声纳波束跟踪［11］。

图6 计划实施图

使用O1至O4点位发射的伪随机序列编码定位信号（发送编号：25～72，各点位合计48个），完成目标定位解算，最终给出的定位误差分布图，见图7。图中使用定位误差中位数画出圆概率误差曲线（图中虚线圆），各点位圆概率误差分别为斜距约5km时，为170.5m；斜距约3km时，为109.7m；斜距约2.4km时，为77.7m；斜距约3.7km时，为129.4m。综合定位斜距误差为3.44%［12］。