郭燕子 李國良 劉明波

（91388部隊46分隊 湛江 524022）

1 引言

長基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)［1～2］海上作業(yè)區(qū)域大、潛標(biāo)數(shù)目多、操作復(fù)雜，為確保海上試驗的成功，系統(tǒng)工作狀態(tài)的檢驗是必要的，這也是長基線系統(tǒng)模擬器的主要任務(wù)，同時也是日常設(shè)備保養(yǎng)和定期檢查必不可少的設(shè)備。絕大多數(shù)傳統(tǒng)模擬器采用微型計算機+數(shù)字信號處理器件（DSP）＋數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）的方式。為滿足某試驗任務(wù)對測控區(qū)域的要求，我們對長基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)軟件及陣型進(jìn)行了改造，原有的水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)模擬器不能滿足對系統(tǒng)實驗室測試的要求，但是鑒于傳統(tǒng)目標(biāo)模擬器加工工藝復(fù)雜、開發(fā)成本高、周期長、升級改造困難等特點，本文提出應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，用Visual C++和LabVIEW及少量硬件開發(fā)目標(biāo)模擬器。虛擬儀器（Virtual Instrument）即VI，是現(xiàn)代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是以通用計算機為核心，根據(jù)用戶對儀器的設(shè)計定義，用軟件實現(xiàn)虛擬控制面板設(shè)計和測試功能的一種計算機系統(tǒng)［3～4］。這樣本目標(biāo)模擬器省去了電路設(shè)計、焊接等環(huán)節(jié)，利用NI現(xiàn)有的模塊完成輸入、輸出，大大縮短了開發(fā)成本及周期。

2 目標(biāo)模擬器設(shè)計原理

2.1 水聲導(dǎo)航系統(tǒng)的原理

水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)是水下目標(biāo)試驗鑒定必須的測量設(shè)備，其任務(wù)是為水下目標(biāo)提供精確導(dǎo)航定位，解決其水下不同工況條件下的航行機動性能參數(shù)測量問題，保障水下目標(biāo)在水下試驗中能安全、可靠、協(xié)同地機動，是水下試驗重要的基礎(chǔ)測控設(shè)備［5～6］。工作原理如圖1所示，在海底或海面布設(shè)水聲測量陣元，通過測量目標(biāo)聲源主動或被動應(yīng)答發(fā)出的聲信號傳播到各個接收陣元的時延（對同步系統(tǒng)）或時延差（對異步系統(tǒng)），采用球面交匯（對同步系統(tǒng)）或雙曲面交匯（對異步系統(tǒng)）來確定目標(biāo)在發(fā)射信號時刻的水平位置［7］。

2.2 水聲導(dǎo)航系統(tǒng)目標(biāo)模擬器設(shè)計

長基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)目標(biāo)模擬器（以下簡稱模擬器）的主要任務(wù)是模擬目標(biāo)聲源主動或被動應(yīng)答發(fā)出的聲信號傳播到各個接收陣元的時延（對同步系統(tǒng)）或時延差（對異步系統(tǒng)）。近年，隨著水下試驗任務(wù)的不斷推進(jìn)，試驗海區(qū)不斷擴(kuò)大，為了能保證水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精確性，我們采取了帶有中繼潛標(biāo)的海底應(yīng)答器基陣，相應(yīng)的對浮標(biāo)、軟件等進(jìn)行了修改，本模擬器主要用于對整個修改后的系統(tǒng)綜合狀態(tài)進(jìn)行檢查。

根據(jù)實驗室測試要求，通過VC完成各種控制參數(shù)設(shè)置，根據(jù)給定參數(shù)產(chǎn)生模擬目標(biāo)的運動軌跡，再根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)速度和同步周期對軌跡采樣，解算目標(biāo)在各軌跡點發(fā)出的詢問信號及應(yīng)答器應(yīng)答信號到達(dá)各浮標(biāo)的時延，或應(yīng)答信號到達(dá)目標(biāo)當(dāng)前位置時延，并記錄對應(yīng)應(yīng)答器編號，最終以文本文件保存。利用LabVIEW軟件讀取文件并產(chǎn)生浮標(biāo)收到的目標(biāo)詢問及應(yīng)答器應(yīng)答的模擬信號數(shù)據(jù)，通過串口將信號數(shù)據(jù)傳送至NI PXI-4461數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊，輸出模擬電信號，最終通過連接換能器發(fā)出模擬 聲 信 號［8］。結(jié)構(gòu)如圖2。

3 目標(biāo)模擬器硬件實現(xiàn)

根據(jù)虛擬儀器的特點，本目標(biāo)模擬器只要求少量的硬件支持，其構(gòu)架包括計算機、D/A輸出、高精度數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊PXI-4461和換能器，如圖3所示。計算機用于參數(shù)的設(shè)置、信號的生成及輸出。NI PXI-4461是一款專為高通道數(shù)的聲音振動應(yīng)用而設(shè)計的高精度數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊，具有2路同步采樣模擬輸入通道和2路同步更新模擬輸出通道。換能器完成由電信號到聲信號的轉(zhuǎn)換，達(dá)到在實驗室對聲信號檢測的目的。

4 目標(biāo)模擬器軟件實現(xiàn)

4.1 Visual C++生成時延數(shù)據(jù)

本程序已對基本參數(shù)進(jìn)行初始化，包括工作參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)、陣元參數(shù)、浮標(biāo)等，同時也可通過對話框?qū)Ω鲄?shù)進(jìn)行修改，界面如圖4。假設(shè)水下目標(biāo)做勻速直線運動，在測控區(qū)布放15個海底應(yīng)答器，陣型及應(yīng)答器編號如圖5所示，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)速度和同步周期對軌跡采樣，解算目標(biāo)在各軌跡點發(fā)出的詢問信號及應(yīng)答器應(yīng)答信號到達(dá)各浮標(biāo)的時延，或應(yīng)答信號到達(dá)目標(biāo)當(dāng)前位置時延，給出時延值。鑒于無線浮標(biāo)傳送距離的限制，系統(tǒng)設(shè)計布放2個浮標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)在左半?yún)^(qū)域活動時，由浮標(biāo)1接收左半部分靠近目標(biāo)六個應(yīng)答器（1，2，3，6，7，8或6，7，8，11，12，13）的信號；當(dāng)目標(biāo)在右半?yún)^(qū)域活動時，由浮標(biāo)2接收右半部分靠近目標(biāo)六個應(yīng)答器（3，4，5，8，9，10或 8，9，10，13，14，15）的信號；并且較遠(yuǎn)一排應(yīng)答器的信號由中間一排應(yīng)答器中繼給浮標(biāo)，即t時刻目標(biāo)位置如圖，浮標(biāo)1收到時延值為目標(biāo)到12號應(yīng)答器的時延t1，及應(yīng)答器12到應(yīng)答器7的時延t2和應(yīng)答器7到應(yīng)答器2的時延t3。最終程序要求得出目標(biāo)到應(yīng)答器的時延，并進(jìn)行排序及對應(yīng)應(yīng)答器編號，如表1、表2。

為驗證距離模糊，假設(shè)目標(biāo)在基陣下半部分運動時延最下排應(yīng)答器作直線活動，由此產(chǎn)生最大時延值，如表1為目標(biāo)和各應(yīng)答器生成的時延及對應(yīng)應(yīng)答器的編號，表中可看到在第一個詢問周期，目標(biāo)和8號應(yīng)答器生成的時延產(chǎn)生了距離模糊，故將進(jìn)入下一個周期進(jìn)行定位解算。同理，假設(shè)目標(biāo)在基陣上半部分運動時，模擬目標(biāo)延中間一排應(yīng)答器作直線活動，表2為目標(biāo)和各應(yīng)答器生成的時延，可看到編號為8、13、14、15的應(yīng)答器的時延均產(chǎn)生了距離模糊，都將進(jìn)入下一個周期進(jìn)行定位解算。這種臨界狀態(tài)的選擇使本目標(biāo)模擬器能夠模擬目標(biāo)運動的各種情況。

表1 無中繼的時延數(shù)據(jù)

表2 帶中繼的時延數(shù)據(jù)

4.2 LabVIEW生成模擬信號

LabVIEW完成目標(biāo)模擬器的主界面設(shè)計及生成模擬信號。主界面界面包括參數(shù)輸入、應(yīng)答信號輸出、電壓控制等。通過主界面能夠輸入各種諸如時延數(shù)據(jù)文件路徑、開始周期、結(jié)束周期等參數(shù)，在圖形顯示區(qū)實時顯示根據(jù)時延數(shù)據(jù)和應(yīng)答器的編號產(chǎn)生模擬信號，如圖6所示。

5 結(jié)語

圖7為預(yù)設(shè)的目標(biāo)延編號為10，9，8，7應(yīng)答器上方直線運動的軌跡，圖8為長基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)軟件通過接收本目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的應(yīng)答器聲信號解算出的目標(biāo)軌跡，通過比較可知，本目標(biāo)模擬器可仿真水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)答聲信號，能夠在實驗室仿真試驗保障的測試過程，對整個水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行檢測，基本滿足設(shè)計要求，并已完成長基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)實驗室聯(lián)調(diào)保障。

［1］王先華.長基線水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)測陣校陣及系統(tǒng)集成［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004：35-38.

［2］王澤民，羅建國，陳琴仙等.水下高精度立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)［J］.聲學(xué)與電子工程，2005（2）：1-3.

［3］張毅剛.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002：37-57.

［4］林正盛.虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1997（3）：12-15.

［5］李斌，趙珩.基于LabVIEW的應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)目標(biāo)模擬器［J］.艦船電子工程.2012，32（10）：90-91.

［6］寧津生，吳永亭，孫大軍等.長基線聲學(xué)定位系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用［J］.海洋測繪.2014，34（1）：72-75.

［7］封金星，丁士圻，惠俊英等.水下運動目標(biāo)長基線定位解算研究［J］.聲學(xué)學(xué)報，1996，18（5）：22-23.

［8］梁丹，張念.基于LabVIEW平臺的虛擬信號發(fā)射器的設(shè)計［J］.廣西輕工業(yè).2011（4）：143-144.

［9］王華，葉愛亮，祁立學(xué)等.Visual C++6.0編程實例與技巧［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999：362-390.

［10］楊有東.汪琛沉.Visual C++程序設(shè)計全程指南［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：237-263.

［11］陳錫輝.LabVIEW8.20程序設(shè)計從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007：102-108.

［12］雷振山.LabVIEW的高級程序設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：390-399.