CN109407044A - 一种应用于水下定位系统的电模拟器 - Google Patents

Abstract

一种应用于水下定位系统的电模拟器，属于水下定位领域。本发明的其结构分为系统软件部分和系统硬件部分，系统软件部分基于LabVIEW软件，其包括人机交互模块、信号生成模块和数据传输模块，系统硬件部分包括数据接收模块、信号发送模块，人机交互模块包括初始化参数设置单元、系统工作参数设置单元、目标观测参数显示单元、数据生成及发送参数显示单元、目标航迹显示单元，信号生成模块包括多普勒频移单元、噪声单元、多途单元、几何衰减单元，数据传输模块包括信号波形数据单元、时延数据单元、目标位置信息数据单元。本发明功能强大，模拟水声接收信号效果好，软件程序简洁、界面友好、操作性强，便于实验室联调，极大降低实验成本。

Description

一种应用于水下定位系统的电模拟器

技术领域

本发明属水下定位领域，具体涉及一种应用于水下定位系统的电模拟器。

背景技术

近年来，随着海洋科技的不断发展，水下定位技术成为重要的课题。水下定位技术的发展对于我国从海洋大国发展为海洋强国起着重要的作用。以往大型水声定位设备在交付使用之前需要进行大量的水下实验以检测设备性能。但是，进行水下实验成本巨大。为了减少人力及物力支出，电模拟器应运而生。它依据目标在海洋中的传播特性，模拟真实海洋环境中的接收信号，从而使得在实验室中利用电模拟器进行水声定位系统电联调实验成为可能。

电模拟器技术是在电子技术的基础上发展并完善起来的。以往，电模拟器是基于硬件进行设计的。但是很多硬件由于自身采样率等限制使得模拟器的精度不够理想。因此，近年来随着水声定位系统的快速发展，电模拟器的设计也由硬件设计逐渐转向软硬件相结合的方式。LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境。基于LabVIEW的电模拟器可以高精度地模拟水下信号的传输过程，并且程序简洁、界面友好、可操作性强。综合以上所述，编写基于LabVIEW的电模拟器具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种应用于水下定位系统的电模拟器。

为实现上述目的，一种应用于水下定位系统的电模拟器，其结构分为系统软件部分和系统硬件部分，系统软件部分基于LabVIEW软件，其包括人机交互模块、信号生成模块和数据传输模块，系统硬件部分包括数据接收模块、信号发送模块，系统软件部分与系统硬件部分通过网线连接，人机交互模块包括初始化参数设置单元、系统工作参数设置单元、目标观测参数显示单元、数据生成及发送参数显示单元、目标航迹显示单元，信号生成模块包括多普勒频移单元、噪声单元、多途单元、几何衰减单元，数据传输模块包括信号波形数据单元、时延数据单元、目标位置信息数据单元。

人机交互模块的初始化参数设置单元包括阵位参数、目标数目、轨迹参数、信号参数，人机交互模块的系统工作参数设置单元包括同步周期、海底深度、信号幅度、信噪比，人机交互模块的目标观测参数显示单元包括帧序号、第一目标时延值、第二目标时延值、第一目标位置信息、第二目标位置信息、第一目标方位角信息、第二目标方位角信息，人机交互模块的目标航迹显示单元包括实时显示接收阵、声信标的位置以及目标轨迹图形。

系统硬件部分的数据接收模块和信号发送模块由OMAP-L138F核心板和第一DA转换器、第二DA转换器、第三DA转换器组成，OMAP-L138F核心板是基于ARM+FPGA的嵌入式检测系统。

系统软件部分的数据传输模块基于TCP协议采用网线与系统硬件部分的OMAP-L138F核心板进行数据传输。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种应用于水下定位系统的电模拟器，功能强大，模拟水声接收信号效果好，电模拟器系统软件利用LabVIEW图形化语言进行编程，程序简洁、界面友好、操作性强；基于TCP协议，通过网线将数据传输给OMAP-L138F核心板，便于实验室联调，极大降低实验成本。

附图说明

图1为发明的系统结构示意图。

图2为本发明的下位机内置的电子处理模块的结构框图。

图3为本发明的人机交互界面示意图。

图4为本发明显示目标运动轨迹界面示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

一种应用于水下定位系统的电模拟器，其结构分为系统软件部分和系统硬件部分，系统软件部分基于LabVIEW软件，其包括人机交互模块、信号生成模块和数据传输模块，系统硬件部分包括数据接收模块、信号发送模块，系统软件部分与系统硬件部分通过网线连接，人机交互模块包括初始化参数设置单元、系统工作参数设置单元、目标观测参数显示单元、数据生成及发送参数显示单元、目标航迹显示单元，信号生成模块包括多普勒频移单元、噪声单元、多途单元、几何衰减单元，数据传输模块包括信号波形数据单元、时延数据单元、目标位置信息数据单元。

人机交互模块的初始化参数设置单元包括阵位参数、目标数目、轨迹参数、信号参数，人机交互模块的系统工作参数设置单元包括同步周期、海底深度、信号幅度、信噪比，人机交互模块的目标观测参数显示单元包括帧序号、第一目标时延值、第二目标时延值、第一目标位置信息、第二目标位置信息、第一目标方位角信息、第二目标方位角信息，人机交互模块的目标航迹显示单元包括实时显示接收阵、声信标的位置以及目标轨迹图形。

系统硬件部分的数据接收模块和信号发送模块由OMAP-L138F核心板和第一DA转换器、第二DA转换器、第三DA转换器组成，OMAP-L138F核心板是基于ARM+FPGA的嵌入式检测系统，ARM核用于检测系统的应用管理，FPGA用于采集发送数据。

系统软件部分的数据传输模块基于TCP协议采用网线与系统硬件部分的OMAP-L138F核心板进行数据传输。

本发明的具体功能有：

功能一、运行LabVIEW程序后，显控界面可以进行各种参数的配置工作，包括同步周期、海洋环境参数、阵位参数、目标数目、轨迹参数、信号参数。

功能二、可以根据需求，添加多途、多普勒、噪声、幅度衰减、设置信噪比。

功能三、支持显示基本的目标水平位置、深度、轨迹、时延、方位角等信息。

功能四、点击信号生成可以获得信号波形文件、信号对应不同多途传播的时延值、目标位置坐标、声信标位置坐标和接收阵位置坐标。

功能五、支持波形数据可读、真实数据回传功能。点击信号传输可以对OMAP-L138F核心板传送生成的二进制形式信号波形文件。

功能六、OMAP-L138F核心板可以接收数据，结合DA转换器，支持发射模拟形式信号。

本发明的具体操作方式为：

通过LabVIEW编写的电模拟器的系统软件用户界面如图3所示，工作时，首先在人机交互界面进行系统工作参数和初始化参数设置，将不同的参数输入系统软件人机交互界面，生成不同的接收信号数据，然后将这些数据通过网线传输给基于OMAP-L138F核心板的电模拟器下位机，OMAP-L138F核心板中接收到数据后将数据发送给后续信号处理单元，然后发射出模拟形式信号，从而达到实验室联调检测算法是否有效的目的。运行程序后，首先输入系统工作参数包括同步周期、海底深度、信号幅度、信噪比、截止频率、噪声、多普勒、多途、几何衰减，然后输入阵位参数包括声信标和接收阵的位置参数，并设置目标个数，轨迹参数、信号参数。轨迹参数有定点轨迹和线性轨迹两种。信号参数是指发射信号的频率、脉冲宽度、脉冲间隔。参数设置完成后，点击信号生成然后设置文件保存位置，便可生成接收信号的二进制文件。

工作时，通过输入不同的系统工作参数和初始化参数，能模拟不同的发射信号经过不同的海洋信道的主动探测接收信号数据。不同的发射信号表现为不同的信号频率、不同的信号脉宽；不同的海洋信道区别在于是否考虑传播衰减、信道多途、多普勒频移。本发明所述的一种应用于水下定位系统的电模拟器通过设置不同的系统工作参数和初始化参数就能够生成所需的水声接收信号进而测试后续信号处理算法是否有效，这对减少实验成本具有重要意义。

实施例2

本发明涉及某水下定位系统，尤其是基于LabVIEW设计了一套接近海洋环境的目标模拟器软件系统，基于OMAP-L138F核心板设计了目标模拟器硬件系统。

近年来，随着海洋科技的不断发展，水下定位技术成为重要的课题。水下定位技术的发展对于我国从海洋大国发展为海洋强国起着重要的作用。以往大型水声定位设备在交付使用之前需要进行大量的水下实验以检测设备性能。但是，进行水下实验成本巨大。为了减少人力及物力支出，电模拟器应运而生。它依据目标在海洋中的传播特性，模拟真实海洋环境中的接收信号，从而使得在实验室中利用电模拟器进行水声定位系统电联调实验成为可能。

电模拟器技术是在电子技术的基础上发展并完善起来的。以往，电模拟器是基于硬件进行设计的。但是很多硬件由于自身采样率等限制使得模拟器的精度不够理想。因此，近年来随着水声定位系统的快速发展，电模拟器的设计也由硬件设计逐渐转向软硬件相结合的方式。LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境。基于LabVIEW的电模拟器可以高精度地模拟水下信号的传输过程，并且程序简洁、界面友好、可操作性强。综合以上所述，编写基于LabVIEW的电模拟器具有重要意义。

为了解决外出海洋实验成本较高的问题以及更好的模拟复杂水声传播系统，本发明提出了一种应用于水下定位系统的电模拟器。

一种应用于水下定位系统的电模拟器，其组成模块包括人机交互模块、信号生成模块和数据传输模块。人机交互模块包括初始化参数设置单元、系统工作参数设置单元、目标观测参数显示单元、数据生成及发送参数显示单元和目标航迹显示单元；信号生成模块包括多普勒频移单元、噪声单元、多途单元、几何衰减单元；数据传输模块的存储和传输内容包括信号波形数据、时延数据和目标位置信息数据。

对于一种应用于水下定位系统的电模拟器的功能包括以下几种：

功能一、运行LabVIEW程序后，显控界面可以进行各种参数的配置工作，包括同步周期、海洋环境参数、阵位参数、目标数目、轨迹参数、信号参数等。

功能二、可以根据需求，添加多途、多普勒、噪声、幅度衰减、设置信噪比等。

功能三、支持显示基本的目标水平位置、深度、轨迹、时延、方位角等信息。

功能四、点击信号生成可以获得信号波形文件、信号对应不同多途传播的时延值、目标位置坐标、声信标位置坐标和接收阵位置坐标。

功能五、支持波形数据可读、真实数据回传功能。点击信号传输可以对OMAP-L138F核心板传送生成的二进制形式信号波形文件。

功能六、OMAP-L138F核心板可以接收数据，结合DA转换器，支持发射模拟形式信号。

本发明所述的一种应用于水下定位系统的电模拟器，包括基于LabVIEW的电模拟器系统软件和基于OMAP-L138F核心板的系统硬件。电模拟器系统软件主要包含人机交互模块、信号生成模块和数据传输模块。系统硬件包括数据接收模块和信号发送模块。本发明功能强大，模拟水声接收信号效果较好。另外，电模拟器系统软件利用LabVIEW图形化语言进行编程，程序简洁、界面友好、操作性强。基于TCP协议，通过网线将数据传输给OMAP-L138F核心板，并最终发射出模拟信号。从而达到实验室联调的目的，减少海试的人力、物力、财力支出。

本发明所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对本发明保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。

如图1、图2所示，本发明一种基于LabVIEW的电模拟器，其组成包括系统软件和系统硬件。系统软件和系统硬件之间通过网线进行数据传输。系统软件是指通过LabVIEW编写的电模拟器应用软件。它包括人机交互模块、信号生成模块、数据传输模块。系统硬件由OMAPL-138F核心板和三个DA转换器组成，包括数据接收模块和信号发送模块。OMAP-L138F核心板是基于ARM+FPGA的嵌入式检测系统。ARM核用于检测系统的应用管理，FPGA用于采集发送数据。

通过LabVIEW编写的电模拟器的系统软件用户界面如图3所示。工作时，首先在人机交互界面进行系统工作参数和初始化参数设置。将不同的参数输入系统软件人机交互界面，生成不同的接收信号数据，然后将这些数据通过网线传输给基于OMAP-L138F核心板的电模拟器下位机。OMAP-L138F核心板中接收到数据后将数据发送给后续信号处理单元，然后发射出模拟形式信号，从而达到实验室联调检测算法是否有效的目的。运行程序后，首先输入系统工作参数包括同步周期、海底深度、信号幅度、信噪比、截止频率、噪声、多普勒、多途、几何衰减。然后输入阵位参数包括声信标和接收阵的位置参数。接着设置目标个数，轨迹参数、信号参数。轨迹参数有定点轨迹和线性轨迹两种。信号参数是指发射信号的频率、脉冲宽度、脉冲间隔。参数设置完成后，点击信号生成然后设置文件保存位置，便可生成接收信号的二进制文件。

工作时，通过输入不同的系统工作参数和初始化参数，能模拟不同的发射信号经过不同的海洋信道的主动探测接收信号数据。不同的发射信号表现为不同的信号频率、不同的信号脉宽；不同的海洋信道区别在于是否考虑传播衰减、信道多途、多普勒频移。本发明所述的一种应用于水下定位系统的电模拟器通过设置不同的系统工作参数和初始化参数就能够生成所需的水声接收信号进而测试后续信号处理算法是否有效。这对减少实验成本具有重要意义。

Claims (4)

1.一种应用于水下定位系统的电模拟器，其结构分为系统软件部分和系统硬件部分，系统软件部分基于LabVIEW软件，其包括人机交互模块、信号生成模块和数据传输模块，系统硬件部分包括数据接收模块、信号发送模块，系统软件部分与系统硬件部分通过网线连接，其特征在于：人机交互模块包括初始化参数设置单元、系统工作参数设置单元、目标观测参数显示单元、数据生成及发送参数显示单元、目标航迹显示单元，信号生成模块包括多普勒频移单元、噪声单元、多途单元、几何衰减单元，数据传输模块包括信号波形数据单元、时延数据单元、目标位置信息数据单元。

2.根据权利要求1所述的一种应用于水下定位系统的电模拟器，其特征在于：人机交互模块的初始化参数设置单元包括阵位参数、目标数目、轨迹参数、信号参数，人机交互模块的系统工作参数设置单元包括同步周期、海底深度、信号幅度、信噪比，人机交互模块的目标观测参数显示单元包括帧序号、第一目标时延值、第二目标时延值、第一目标位置信息、第二目标位置信息、第一目标方位角信息、第二目标方位角信息，人机交互模块的目标航迹显示单元包括实时显示接收阵、声信标的位置以及目标轨迹图形。

3.根据权利要求1所述的一种应用于水下定位系统的电模拟器，其特征在于：系统硬件部分的数据接收模块和信号发送模块由OMAP-L138F核心板和第一DA转换器、第二DA转换器、第三DA转换器组成，OMAP-L138F核心板是基于ARM+FPGA的嵌入式检测系统。

4.根据权利要求1所述的一种应用于水下定位系统的电模拟器，其特征在于：系统软件部分的数据传输模块基于TCP协议采用网线与系统硬件部分的OMAP-L138F核心板进行数据传输。