盛成明，徐宏水，陳 昕

(海軍702廠，上海 200434)

綜合聲吶是艦艇的主要聲吶裝備，其日常維修保障就顯得尤為重要。通常綜合聲吶包含水上分機和水下分機2大部分，其中水下分機包含發(fā)射和接收換能器、單條接線盒、自耦合變壓器、前置放大器、聲障板、總接線盒等。水下分機的主要功能是接收目標信號，并對目標信號進行放大。其工作狀態(tài)直接關系到聲吶系統(tǒng)對水下目標的檢測能力。目前對水下分機維修采用的檢測手段是艦艇進塢，將導流罩的水排空后，逐一對水下分機相關部件進行檢測判斷。由于進塢前無法及時掌握水下分機的工作狀態(tài)，一旦檢測出故障，給維修器件籌措、維修周期確定、塢期時間排定帶來極大不利，影響相關部門的維修決策。因此研制一套聲吶水下分機信號分析與故障判斷裝置，能夠在艦艇不進塢的狀態(tài)下對水下分機故障進行判斷和定位，及時發(fā)現(xiàn)水下分機的故障和隱患，為水下分機及時有效的精準維修，提高維修效率，降低維修成本，為相關部門的維修決策和判斷提供有力依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設計

聲吶水下分機信號分析與故障判斷裝置的原理框圖如圖1所示。

將從水下分機實時接收到的32路信號進行A/D轉(zhuǎn)換后儲存,依次從32路中取出2路進行頻譜分析,將32路的頻譜分析結(jié)果儲存并進行比對,找出對應的故障通道.同時將所存儲的32路信號進行噪聲能量檢測,找出偏離平均值3 dB以上的通道。根據(jù)上述2種方法分析比對，判斷所對應的水下分機的故障通道及故障類型[1]。

圖1 總體設計原理框圖

聲吶水下分機信號分析與故障判斷裝置具備對綜合聲吶前放輸出信號進行信號分析(多通道時域頻域信號、通道實時交直流分量、干擾分量分貝值和通道間信號相關性分析)；通道故障判斷；通道信號錄音與回放，通道信號實時監(jiān)聽等多項功能。

2 系統(tǒng)硬件組成

本裝置采用PXI總線，主要由機箱、同步采集卡、多通道選通卡、信號轉(zhuǎn)接裝置、自檢電路等組成，利用選通卡對8路信號實現(xiàn)8選1，再采用同步采集卡實現(xiàn)信號的同步采集。其系統(tǒng)硬件的組成框圖如圖2所示[2]。

圖2 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1 機箱

機箱選型ADlink PXIS-2506，該機箱為3U 6槽PXI/CompactPCI機箱，配有1個系統(tǒng)槽和5個外圍槽，集成PXI的所有功能，10 MHz時鐘參考，星型觸發(fā)、局部總線和1個觸發(fā)總線。PXIS-2506配有250 W 交流CompactPCI高可靠、無間斷供電電源模塊，可從前面板直接插拔，便于現(xiàn)場更換，縮短了MTTR(平均修復時間)。同時選擇ADlink PXI-3920作為與PXIS-2506機箱配套使用的嵌入式控制器，該控制器上采用了多種測量儀器插口和可靠的機械及電器設計。

2.2 同步采集卡

整個硬件系統(tǒng)中最重要的部分為多通道同步采集卡。多通道同步采集卡的選擇主要基于以下考慮：一是前放輸出信號為mV級，采集精度應為100 μV量級；二是考慮到通道之間信號的相關性，選擇相鄰通道信號進行采樣；同時還要兼顧通道故障判斷的樣本數(shù)，確定同步采集卡為8通道同步采樣；三是由于接收信號頻率為0～10 kHz,單通道信號采樣頻率≥20 kHz。綜合考慮后選擇了ADlink PXI-2022，該采集卡為16位、16通道數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率250 kHz,電壓范圍±2.5 V或±10 V，能滿足設計要求[3]。

2.3 多通道選通卡

采用多通道選通卡可以大大降低開發(fā)成本。針對綜合聲吶水下分機64個信號通道，8路同步采集，需要8個8×1多通道選通卡。選擇NI公司的PXI-2576多通道選通卡。該選通卡拓撲可以為2線 16個4×1、2線8個8×1、2線 4個16×1、2線 2個32×1和2線 1個64×1中任何一種。

2.4 信號轉(zhuǎn)接裝置

信號轉(zhuǎn)接由64路輸入到多通道選通卡端子板的連接線以及多通道選通卡端子板到同步采集卡端子板的連接線2個部分組成，如圖3所示。

圖3 信號轉(zhuǎn)接裝置

信號轉(zhuǎn)接裝置將輸入的64路信號進行奇、偶序號分組，每組各32路，每32路再分為4組8路，分別送至相應的Din-20P-01端子板，由多通道選通卡控制通道的開閉。每個端子板輸出1個信號通路，8個端子板共輸出8路信號送至Din-68S-01端子板。通過Din-68S-01端子板與數(shù)據(jù)采集卡的連線將8路信號送至數(shù)據(jù)采集卡進行信號采集。

2.5 自檢裝置

設計自檢裝置目的是通過利用標準正弦信號對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和各主要功能模塊進行功能和性能檢查。自檢裝置產(chǎn)生正弦信號頻率為1 kHz，輸出電壓500 mV。產(chǎn)生的8路信號通過Din-68S-01端子板送至數(shù)據(jù)采集卡。

3 軟件模塊設計

軟件基于Windows XP操作系統(tǒng)，采用Labview語言編寫,開發(fā)環(huán)境為Labview2009。Labview(實驗室虛擬儀器平臺)是一種可視化開發(fā)平臺，基于圖形開發(fā)調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境，借助虛擬前面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器應用程序。

應用程序主要功能模塊有：相鄰8通道信號同步采集與處理模塊、故障類型分析與判斷模塊、通道信號監(jiān)聽與錄音模塊以及系統(tǒng)自檢模塊，各模塊之間相互獨立。系統(tǒng)通過動態(tài)加載的方式實現(xiàn)各模塊之間的切換[4]。

軟件實現(xiàn)通道選擇切換、多通道數(shù)據(jù)同步采集、信號交流直流分量，通道相關性分析，通道故障診斷，時域頻域信號監(jiān)測，信號錄音與回放等主要功能。

1)通道數(shù)據(jù)同步采集與處理。8通道數(shù)據(jù)同步采集與處理模塊結(jié)果顯示分3個部分：一是選擇通道信號的時域和頻域波形顯示；二是選擇通道信號的直流、交流以及分貝值顯示；三是通道間信號相關性顯示。

2)信號時域和頻域。實現(xiàn)信號時域和頻域目的是通過觀察信號時域和頻域的差異，觀察和分析出故障通道。輸入?yún)?shù)為監(jiān)聽通道選擇、采樣頻率、采樣點數(shù)、起始通道和最大電平。顯示區(qū)域為信號的時域和頻域波形，其中信號頻域計算采用FFT法(快速傅里葉變換)[5]。

3)信號直、交流分量和分貝值。信號直、交流分量和分貝值顯示的目的是通過觀察通道之間的直、交流分量和分貝值對故障進行分析和判斷。信號交、直流分量是通過采集當前通道交流與直流值，并用柱狀圖顯示出來，并同時顯示出該通道的分貝值。

4)通道間信號相關性模塊。通道間信號相關性模塊可比較兩路通道信號的相關函數(shù)，以及它們與參考通道之間的相關系數(shù)?？娠@示通道間信號相關性界面，其中輸入?yún)?shù)為相關參數(shù)，顯示選定通道與通道計算的相關函數(shù)；選擇參考通道，顯示各路與選定通道的相關系數(shù)。

5)故障類型分析與判斷。故障類型分析與判斷模塊的實現(xiàn)原理是對故障通道逐一掃描、采集信號并實現(xiàn)故障分析判斷。該模塊結(jié)果顯示分為64通道時頻域顯示、64通道4指標直方圖、故障類型分析3個部分。

(1)64通道時頻域顯示。界面可顯示水下分機示意圖，通道號為1～64，每個通道對應1個綠色指示燈?！盁魷纭睍r表示當前通道未掃描，“燈亮”時表示當前通道正在被掃描中。掃描時，系統(tǒng)機箱中還會伴有“嗒”的聲音。掃描后，所有通道信號被存儲后，以強度圖的形式顯示在“空時分布圖”中。信號經(jīng)FFT后，顯示“空頻分布圖”。采用“空時分布圖”和“空頻分布圖”2種形式顯示信號的優(yōu)點是能準確掌握信號的變化特點，從而找出故障通道。

(2)64通道4指標直方圖。系統(tǒng)計算出所有通道信號的4個指標分量：50 Hz干擾分量、支流分量、交流分量、相關系數(shù)。計算這4個指標分量的優(yōu)點是：能從指標量化的角度發(fā)現(xiàn)故障通道。

(3)故障類型分析。根據(jù)對水下分機的主要故障和其相應的信號特征分析，故障信號特征可分為3大類：一是信號對地短路故障；二是前放開路故障；三是水聽器損壞。顯示故障信號特征與50Hz干擾分量、支流分量、交流分量、相關系數(shù)的相應關系，得出故障結(jié)論。

6)信號監(jiān)聽模塊。信號監(jiān)聽模塊實現(xiàn)對聲吶水下分機通道監(jiān)聽?？衫脫P聲器或外接耳機對選擇通道進行監(jiān)聽，也可從監(jiān)聽聲音中對通道的狀態(tài)進行故障初判。

信號監(jiān)聽模塊界面，輸入?yún)?shù)為通道選擇，采樣頻率，采樣點數(shù)和最大采樣電平。

播放設備為本裝置的聲卡標示名稱。通道采樣點數(shù)表示緩存中對信號采樣的點數(shù)。通過音量調(diào)節(jié)旋鈕可對音量大小進行控制。錄音模塊為監(jiān)聽的通道進行錄音，數(shù)據(jù)保存可以采用.wav和.tdms格式并可以設定保存數(shù)據(jù)的路徑，可用windows播放器播放，也可以用信號錄音回放模塊進行回放。

7)信號回放。信號回放可以對需要保存的數(shù)據(jù)進行重新讀取。信號回放界面首先添加之前在信號監(jiān)聽模塊中保存的文件，然后加載至播放列表，同時雙擊文件則可以從耳機中聽到之前所錄音的文件的聲音。

4 結(jié)束語

聲吶水下分機信號分析與故障判斷裝置的研制，硬件整體構(gòu)架采用COTS技術、軟件構(gòu)架采用模塊動態(tài)加載技術，把信號處理技術應用在聲吶水下分機檢測與修理上，利用頻譜分析、功率計算和相關性分析等信號處理技術，分析通道可能存在的故障，能及時判斷水下分機故障特性及故障部位，改善了以往檢測方式自動化程度低、靈活性差、檢測效率低的缺點，極大提高了維修效率；將虛擬儀器技術應用在聲吶水下分機檢測與修理上，在少量硬件的基礎上，實現(xiàn)眾多電參數(shù)的綜合檢測，方便進行信號處理分析和顯示結(jié)果，采用了選通卡+同步采集卡實現(xiàn)對多達64通道的信號采集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、組建方便，有很好的性價比，軟件界面友好，為聲吶水下分機的檢修維護工作提供了便利，滿足了綜合聲吶修理的實際需求。