郭燕子 丁翠環(huán) 李國(guó)良

（91388部隊(duì)46分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

在水聲設(shè)備的試驗(yàn)中，參試設(shè)備的多樣化決定了一次試驗(yàn)的成功不僅僅取決于被測(cè)設(shè)備的性能，在很大程度上還取決于參試設(shè)備試驗(yàn)期間能否夠正常工作。由于水聲設(shè)備大多處于水面或水下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)量手段一般通過(guò)聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)，所以，對(duì)水聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)有助于判斷被測(cè)武備、參試設(shè)備的工作狀態(tài)。以往試驗(yàn)中由于海洋環(huán)境的復(fù)雜，設(shè)備自身的性能諸如方向性、應(yīng)答門(mén)限、關(guān)門(mén)時(shí)間等的限制，導(dǎo)致記錄的數(shù)據(jù)不能完全反映設(shè)備的工作情況，需要研制能夠?qū)υ囼?yàn)中所有水聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄的監(jiān)測(cè)設(shè)備，將被試和參試設(shè)備所發(fā)出的信號(hào)包括這些信號(hào)的混響信號(hào)毫無(wú)遺漏地記錄下來(lái)，并能夠隨時(shí)回放，避免試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定出現(xiàn)爭(zhēng)議。水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)水聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)與觀察，將被試和參試設(shè)備用聲信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，判斷它們是否正常的發(fā)射出聲信號(hào)，從而對(duì)試驗(yàn)中各參試設(shè)備工作狀態(tài)作出判定，為試驗(yàn)中的異常情況提供分析結(jié)果，避免評(píng)定結(jié)果存在爭(zhēng)議。

2 系統(tǒng)主要功能及應(yīng)用

水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和錄取目標(biāo)信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)及海洋環(huán)境噪聲；實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)到的波形，信號(hào)的頻率，到達(dá)水聽(tīng)器時(shí)信號(hào)的能量，記錄信號(hào)到達(dá)的時(shí)刻，事后進(jìn)行波形回放，各種譜分析，測(cè)量時(shí)間間隔，信號(hào)頻率和大小，最終形成結(jié)果報(bào)告。

該系統(tǒng)的應(yīng)用在于，在魚(yú)雷試驗(yàn)中，用來(lái)監(jiān)測(cè)魚(yú)雷、聲靶的信號(hào)發(fā)射情況，確定魚(yú)雷、聲靶的工作狀態(tài)；在聲納試驗(yàn)中，可以用來(lái)檢查聲信號(hào)的頻率、功率、脈沖寬度、發(fā)射周期等是否符合要求；尤其在水聲對(duì)抗試驗(yàn)中，可用來(lái)監(jiān)測(cè)水面艦艇、潛艇的自噪聲及主動(dòng)聲納、噪聲干擾器發(fā)出的各種信號(hào)，并及時(shí)提供有效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

3.1 系統(tǒng)組成

水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由水聽(tīng)器、電纜及絞盤(pán)、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)設(shè)備、采集卡和計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)組成及原理框圖如圖1所示。

圖1 水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

水聽(tīng)器包括聲傳感器和信號(hào)前置放大器，完成將水中聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并放大，信號(hào)通過(guò)電纜傳送到信號(hào)處理器。信號(hào)處理器包括電源、分檔衰減器、低噪放大器、高階帶通濾波器等。信號(hào)處理器主要用來(lái)將信號(hào)限定在需要的頻帶之內(nèi)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。分檔衰減器對(duì)強(qiáng)弱不同的信號(hào)分別予以不同程度的衰減，保證信號(hào)經(jīng)過(guò)后面的放大電路后不至于引起失真。信號(hào)處理器組成框圖如圖2所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)采集卡完成對(duì)信號(hào)的采集、實(shí)時(shí)顯示及事后頻率處理、回放。

圖2 信號(hào)處理器框圖

3.2 系統(tǒng)工作原理

試驗(yàn)時(shí)，水聽(tīng)器入水深度視具體試驗(yàn)而定，一般比參試設(shè)備略深。為便于下放和回收水聽(tīng)器，電纜與護(hù)繩共同纏繞于絞架之上，并通過(guò)絞架與計(jì)算機(jī)相連，將收集到的信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

系統(tǒng)工作時(shí)，水聽(tīng)器聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并放大，信號(hào)通過(guò)電纜傳送到信號(hào)處理器，信號(hào)處理器完成信號(hào)的放大、衰減、濾波等，將信號(hào)限定在需要的頻帶之內(nèi)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅?jì)算機(jī)通過(guò)采集卡完成對(duì)信號(hào)的采集、實(shí)時(shí)顯示及事后頻率處理、回放。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)用軟件來(lái)取代部分硬件功能，即用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取、處理、顯示，這樣可以簡(jiǎn)化硬件模塊，從而縮小整個(gè)系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)便攜性和可靠性，并且具有更強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性。因而在自動(dòng)化測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)該技術(shù)在對(duì)采集數(shù)據(jù)的永久性存儲(chǔ)上具有硬件設(shè)備無(wú)法比擬的優(yōu)越性［1］。本系統(tǒng)中虛擬儀器主要完成以下功能：

1）對(duì)采集卡部分參數(shù)的設(shè)定。

2）對(duì)采集信號(hào)波形的實(shí)時(shí)顯示，并實(shí)時(shí)提供一個(gè)采樣長(zhǎng)度內(nèi)信號(hào)的最大值。

3）對(duì)采集信號(hào)的功率譜分析、相位譜分析、對(duì)數(shù)譜分析、自相關(guān)分析。

4）對(duì)采集信號(hào)的事后回放。

5）對(duì)采集信號(hào)波形、譜分析結(jié)果的打印。

4.2 游標(biāo)測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)軟件測(cè)量中，對(duì)于時(shí)間和頻率的測(cè)量存在很大的不足，一方面，計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)采樣周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)某些算法給出信號(hào)的特征參數(shù)，但由于信號(hào)在海洋傳播過(guò)程中會(huì)有很大的變形、失真，且這些變化隨機(jī)性較大，所以完全由計(jì)算機(jī)處理從算法上較難實(shí)現(xiàn)，即便實(shí)現(xiàn)也會(huì)有很大的測(cè)量誤差。另一方面，測(cè)量信息的顯示比較被動(dòng)，計(jì)算機(jī)分析后的信息只能以某種列表的形式顯示出來(lái)，對(duì)于真正需要的信息有可能沒(méi)有顯示，測(cè)量?jī)?nèi)容過(guò)于單一，不能滿(mǎn)足試驗(yàn)的需要。

游標(biāo)卡尺是以主尺的數(shù)據(jù)加游標(biāo)輔尺的數(shù)據(jù)作為測(cè)量結(jié)果。在基于游標(biāo)原理的測(cè)量方法中，將計(jì)算機(jī)采樣和人為采樣結(jié)合對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行分析，即操作員能夠隨時(shí)隨地對(duì)任意信號(hào)進(jìn)行脈寬、強(qiáng)度、頻譜分析，提取信號(hào)特征。由于計(jì)算機(jī)在采樣時(shí)對(duì)采集信號(hào)的幅度和出現(xiàn)時(shí)間記錄的精確度較高，而采集信號(hào)的形狀、幅度均有隨機(jī)性變化，特別是有混響信號(hào)的存在，使得計(jì)算機(jī)對(duì)于信號(hào)的幅度、脈寬的判斷顯得十分困難，但在人機(jī)對(duì)話(huà)方式下，由人以游標(biāo)方式給出具體的兩個(gè)采樣點(diǎn)，再由計(jì)算機(jī)計(jì)算兩采樣點(diǎn)之間的幅度、時(shí)間差，在信號(hào)的譜分析結(jié)果中，對(duì)于信號(hào)在某一頻率分量上的幅度也可以采用這種人機(jī)交互的測(cè)量方法。這樣，就可以利用人的模糊判斷性，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)參數(shù)的精確測(cè)量［2～3］。

4.3 聲信號(hào)檢測(cè)分離技術(shù)

在傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)中，對(duì)已知信號(hào)的檢測(cè)一般采用同步檢測(cè)方式：包括門(mén)限檢測(cè)、脈寬檢測(cè)、頻率檢測(cè)。這種檢測(cè)方式雖然實(shí)用、有效，但需要大量的硬件支持且電路復(fù)雜。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵照系統(tǒng)體積小、設(shè)備輕的原則采用計(jì)算機(jī)軟件檢測(cè)。為提高檢測(cè)效率，避免大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算盡量不采用頻域處理。但實(shí)際試驗(yàn)中，信號(hào)幅值變化相當(dāng)大，信號(hào)形狀也不規(guī)則，且由于混響的存在，正常的信號(hào)基本上被混響信號(hào)連在一起，很難分開(kāi)，使得計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)相當(dāng)困難，基于此，根據(jù)研究各種信號(hào)從時(shí)間順序、幅度大小、信號(hào)脈沖寬度等特點(diǎn)，提出了以下軟件設(shè)計(jì)的解決方案［4～5］：

1）提取采集信號(hào)的包絡(luò)，并將其平滑。

2）利用混響相干包絡(luò)頻率是發(fā)射及應(yīng)答頻率差的特點(diǎn)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干判斷，相干判斷的重要依據(jù)是相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的時(shí)間差，根據(jù)這個(gè)時(shí)間差即可判斷是否有相干波出現(xiàn)，若有相干波形出現(xiàn)，則可以判斷發(fā)射、應(yīng)答信號(hào)均正常。

3）在相干波判斷法比較困難（混響信號(hào)對(duì)正常信號(hào)的影響較?。┑那闆r下，則應(yīng)采用幅度—脈寬判定法。對(duì)于幅度超過(guò)一定門(mén)限的信號(hào)，再對(duì)其脈寬進(jìn)行評(píng)估。

5 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

軟件采用Visual C++、LabVIEW等編程工具，實(shí)現(xiàn)部分功能參數(shù)的設(shè)定；對(duì)采集信號(hào)波形的實(shí)時(shí)顯示；對(duì)采集信號(hào)的功率譜、相位譜、對(duì)數(shù)譜、自相關(guān)分析；事后回放；波形、譜分析結(jié)果的打印。

5.1 設(shè)定采集卡參數(shù)

主要包括采樣頻率、信號(hào)通道、采樣長(zhǎng)度參數(shù)的確定。

5.1.1 設(shè)定采集頻率

在采集卡中，為能夠適應(yīng)不同試驗(yàn)場(chǎng)合的需要，對(duì)采樣頻率的設(shè)定采用對(duì)可編程器件編程的方

式。程序中首先向控制字寄存器地址寫(xiě)入方式控制字，使通道0工作于方式3，產(chǎn)生相應(yīng)的方波信號(hào)，作為A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)。然后以計(jì)數(shù)器通道地址寫(xiě)入計(jì)數(shù)器初值至CR。程序在默認(rèn)方式將采樣頻率預(yù)置為80KHz。其程序流程如圖3。

5.1.2 設(shè)定采集通道

本系統(tǒng)可工作于單通道、雙通道采集兩種采集方式，程序通過(guò)控制多通道開(kāi)關(guān)來(lái)選擇采集方式。單通道采集方式程序流程如圖4所示，通過(guò)寫(xiě)多通道開(kāi)關(guān)的控制字來(lái)達(dá)到選擇采集通道的目的。

圖3 設(shè)定采集頻率程序流程

圖4 設(shè)定采集通道單通道模式流程圖

本系統(tǒng)在雙通道采集時(shí)，采用在兩個(gè)通道之間輪流采集的處理方式，程序流程圖如圖5，當(dāng)打開(kāi)一個(gè)通道后，采集該通道A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，放入內(nèi)存，并將該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，待該通道數(shù)據(jù)處理完畢后轉(zhuǎn)入下一個(gè)通道的處理，如此循環(huán)，直到操作員結(jié)束采集。

5.1.3 設(shè)定采集長(zhǎng)度

本系統(tǒng)的采集長(zhǎng)度分為4K、8K、16K三種，程序根據(jù)三種不同的采樣長(zhǎng)度在內(nèi)存中開(kāi)辟出不同的數(shù)據(jù)存放空間，存放形式采用數(shù)組存放。

5.2 采集信號(hào)波形顯示

A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)數(shù)據(jù)必須分兩次讀出，先讀低8位，再讀高4位，然后將低8位、高4位組合成實(shí)際所需要的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的大小求出該數(shù)據(jù)在屏幕上顯示的位置，進(jìn)行波形顯示。

5.3 事后回放

事后回放有助于對(duì)信號(hào)的進(jìn)一步觀測(cè)、分析和處理。本系統(tǒng)回放方式分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種。自動(dòng)方式下對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行總體觀測(cè)，做出一個(gè)整體評(píng)估，手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的向前和向后瀏覽，它有助于對(duì)某些特殊信號(hào)的進(jìn)一步觀測(cè)與分析。程序流程如圖6。

圖5 設(shè)定采集通道雙通道模式流程圖

6 系統(tǒng)說(shuō)明

水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面如圖7，主要用于選擇采集通道、參數(shù)設(shè)定（包括采樣率、采樣長(zhǎng)度）、數(shù)據(jù)采集、波形實(shí)時(shí)顯示及事后打印、回放控制，并提供一個(gè)采樣長(zhǎng)度中信號(hào)的最大值。

圖6 事后回放程序流程圖

圖7 水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

頻譜分析界面如圖8所示，此界面主要用來(lái)進(jìn)行頻譜分析，包括功率譜分析、對(duì)數(shù)譜分析、相位譜分析、自相關(guān)分析、失真度分析等五個(gè)分析項(xiàng)目，其分析結(jié)果包括打印、分析結(jié)果顯示、波形顯示、原始數(shù)據(jù)查看、分析結(jié)果存盤(pán)等功能。

7 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)可廣泛用于各種水下水聲設(shè)備的試驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)各參試水下設(shè)備的聲信號(hào)的頻率、功率、脈寬、發(fā)射周期等，及時(shí)提供數(shù)據(jù)結(jié)果，實(shí)時(shí)掌握各目標(biāo)工作情況，確定其工作狀態(tài)是否符合要求。使試驗(yàn)評(píng)估小組能夠準(zhǔn)確掌握試驗(yàn)情況，使試驗(yàn)有章可循，減少了參試各方因無(wú)評(píng)判依據(jù)而產(chǎn)生的糾紛，從而縮短試驗(yàn)周期，節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，提高試驗(yàn)效率。

圖8 水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻譜分析界面

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