CN111427029B - 一种多功能测试分析声模拟器的设计与实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多功能测试分析声模拟器的设计与实现方法，所述方法包括根据用户选择启动目标模拟功能模块、信号采集与分析功能模块、复盘分析模块及声线绘制模块。通过显控界面进行参数配置及运行结果显示，启动辅助模块帮助系统完成既定工作。数据传输至发射机箱进行信号发射工作。本发明设计并实现的一种多功能测试分析声模拟器，集成了声呐设备外场试验所需的多种实用功能，具有良好的人机交互界面，对于提高实验效率、节约实验成本有着重要意义。

Description

一种多功能测试分析声模拟器的设计与实现方法

技术领域

本发明涉及多功能声模拟器技术领域，特别是涉及一种多功能测试分析声模拟器的设计与实现方法。

背景技术

海洋环境复杂多变，在海洋信道中信息传递比空气信道更为困难。在大气环境中作为优秀信息传播载体的电磁波，由于其高频的特性，波长较短，在液体介质中传播衰减迅速，作用距离有限，只在一些如水下对接等近距离作业的特殊情况下有所应用，而长距离信息传播只有以声波为载体携带信息这一种途径。声信号在海水介质中有着良好的传播特性，传播距离远，衰减较慢，能量损失小，在水下定位、跟踪、通信、导航等领域起着关键作用。在声纳设备研制的过程中，从设备最初定型后的验证调试阶段到交付使用前最后的检测检验阶段，必定需要大量的外场试验来测试设备在实际应用中的真实性能。在测试试验中使用真实目标对声纳设备进行测试固然可以模拟最实际的工况条件，但也不可避免的要消耗大量资源，同时对于一些时间、空间敏感性目标，使用真实目标进行多次重复试验是不切实际的，所以声模拟器作为一种可通过模拟真实目标的声音特性来对其他声纳设备进行测试及检验的设备，其在试验中的重要性不言而喻。

声模拟器可借助真实环境提供的天然信道特性模拟特定目标的声学信号，在其他声呐设备的调试及检验实验中起着至关重要的作用。传统的声模拟器系统存在一些局限性，如功能单一，只具备信号发射功能，为了满足实验要求还需要其他分系统提供数据支持；扩展性不足，硬件设备对新功能支持有限，升级扩展时系统架构可能需要重新设计；人机交互界面差，操作繁琐；文件系统简单等。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种多功能测试分析声模拟器的设计与实现方法。本发明利用虚拟仪器技术基于Labview软件完成多功能测试分析声模拟器的设计并进行实现。该声模拟器发射信号种类多样，可根据用户设定参数生成并发射。除了基本的信号发射功能外，该声模拟器还具备多种实用功能，如信号的采集分析功能、模拟运动目标时的GPS及深度定位功能、计算传播信道情况的声线绘制功能以及复盘分析功能等，将外场试验中可能用到的实用功能整合到一起。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种多功能测试分析声模拟器的设计与实现方法，所述方法包括：

步骤一：根据功能需求及设计指标要求，设计并实现目标模拟功能模块、信号采集与分析功能模块、复盘分析模块及声线绘制模块；

步骤二：设计并实现显控界面及辅助功能模块，功能运行时，通过显控界面进行参数配置，启动相应的辅助功能模块帮助声模拟器系统完成既定工作并通过显控界面对运行结果进行显示；

步骤三：当运行目标模拟功能时，计算机将数据传输至发射机箱，完成信号发射工作；

步骤四：当运行信号采集与分析功能时，计算机将通过接收换能器采集声信号，计算功率谱并进行降采样处理；

步骤五：当运行复盘分析或声线绘制模块时，计算机可无需依赖外部硬件设备，通过本地文件获取必要数据，计算并对结果进行显示。

进一步地，所述目标模拟功能模块具体操作为：

目标模拟功能模块针对发射换能器完成幅频特性匹配后，按(1)式计算发射信号统计归一化参数：

η＝max{|max[x₀(n)]|,|min[x₀(n)]|}n∈[0,N₀-1] (1)

其中η为统计归一化参数，N₀为样本信号点数，x₀(n)为发射信号；

统计归一化后按(2)式完成发射信号的幅度变换：

其中x_N(n)为幅度变换后的信号，N为生成信号点数；

目标模拟所需的经纬度定位信息由与计算机连接的便携式GPS信号接收器通过串口通信上传；发射换能器深度信息由信号发射机箱通过网口通信上传，经由(3)式、(4)式解算得到发射换能器深度；

其中V为压力传感器输出电压，D为深度，N_v为输出电压转换后数值，V₀为参考电压。

进一步地，所述信号采集与分析功能模块具体操作为：

信号采集与分析功能模块通过计算机TRS接口利用水听器采集声信号，经由(5)式计算信号功率谱：

其中，其中，A(k)为采集信号快速傅里叶变换后得到的复数组；

为满足采集信号的发射需求，对接收信号通过低通滤波器进行抗混叠滤波及整数倍抽取，完成信号的降采样处理。

进一步地，所述复盘分析模块具体操作为：

复盘分析模块读取目标的GPS定位信息，通过(6)式和(7)式完成坐标投影转换：

其中，

T＝tg²B；C＝e^'2cos²B；A＝(L-L₀)cosB；

式中，L为经度，B为纬度，L₀为中央经线经度；a、e、k₀、FE均为基于卡索夫斯基椭球参数的常数参数，可通过查表获得；

坐标转换后，运用基于冗余信息的噪点剔除方法完成轨迹点的错误点剔除并通过求解(8)式方程对目标运动轨迹进行三次样条插值平滑处理；设模拟曲线表达式为S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³且已知n+1个数据点[x_i,y_i]，i＝0,1…,n，h_i＝x_i+1-x_i，m_i＝S”_i(x_i)＝2c_i，则方程式(8)表示为：

处理后根据坐标点信息计算相对距离及坐标方位角。

进一步地，所述声线绘制模块具体操作为：

声线绘制模块首先根据设定参数通过(9)式计算海底反射系数：

其中m＝ρ₂/ρ₁，n＝c₁/c₂，Vb(θ)为海底反射系数，θ₁、θ₂分别表示入射波与折射波掠角，I_r为入射声强，I_i为反射声强，ρ₁和ρ₂为两种介质密度，c₂和c₁为两种介质内的声速；

然后根据不同深度声速分布信息及反射系数，调用Bellhop射线跟踪模型计算声线坐标及幅度、时延，完成声线绘制及筛选。

进一步地，考量系统运行所需的辅助功能，选择启动文件管理模块、数据传输模块、日志生成及异常处理模块辅助系统运行；

所述文件管理模块对声模拟器运行所需的配置文件及数据文件的文件格式、文件名和存储路径进行统一管理，完成对文件的创建、读取、重命名、格式转换、移动和删除操作，确保系统准确的完成文件调用，同时方便用户对生成文件进行编辑；

所述数据传输模块通过串口通信及网口通信完成计算机软件与GPS接收器及发射机箱硬件间的数据交换和指令控制工作；

所述日志生成及异常处理模块负责记录关键时间节点参数的设定及用户的操作及日志，并在系统发生错误时记录错误信息并及时终止进程，防止出现系统卡死现象。

进一步地，所述发射机箱包括核心控制单元、硬件接口单元、数模转换单元、信号调理单元和AC-DC单元；

所述核心控制单元采用ARM+FPGA的整体系统设计，通过ARM和FPGA之间的协作，实现信号发射与深度信息上传功能；

所述硬件接口单元包括数据传输接口及网络通信接口；

所述数模转换单元采用DAC8568C芯片；

所述信号调理单元用于在数模转换单元的后端通过接入模拟电路的方式对信号进行信号调理，通过信号调理单元将阶梯状的D/A输出信号平滑化，并过滤掉信号发射板产生的电噪声，同时，对信号进行放大或衰减，以满足不同的声呐设备需求；

所述AC-DC单元用于将交流市电转为12V的直流电压，从而为发射机箱提供所需要的数字端5V和3.3V供电，模拟端5V供电。

本发明将应用虚拟仪器技术基于Labview软件开发一款多功能测试分析声模拟器，该声模拟器功能丰富，整合了多种实验所需的实用功能；采用模块化、扁平化的软件结构设计，保证了系统的可拓展性，升级扩展时无需修改系统架构；人机交互良好，操作简便，文件管理功能强大。硬件方面，发射机箱核心控制单元采用ARM+FPGA的整体系统设计，在保证较高的处理速度的同时兼具灵活性与扩展能力。本发明设计并实现的一种多功能测试分析声模拟器，集成了声呐设备外场试验所需的多种实用功能，具有良好的人机交互界面，对于提高实验效率、节约实验成本有着重要意义。

附图说明

图1为本发明的软硬件系统架构图；其中(a)为软件结构图；(b)为发射机硬件结构图；

图2为本发明目标模拟功能模块工作流程图；

图3为本发明信号采集与分析功能模块工作流程图；

图4为本发明复盘分析模块工作流程图；

图5为本发明复盘分析模块轨迹平滑功能模拟仿真图；其中(a)为轨迹平滑前，(b)为轨迹平滑后；

图6为本发明声线绘制模块工作流程图；

图7为本发明数据传输模块工作流程图；

图8为本发明异常处理模块工作流程图；

图9为本发明发射机箱核心板硬件框图；

图10为本发明发射机箱核心板以太网连接框图；

图11为本发明发射机箱滤波电路原理图；

图12为本发明发射机箱供电方案总体图；

图13为目标模拟功能模块运行结果图；其中(a)为目标模拟功能界面示意图；(b)为示波器测量示意图；

图14为信号采集与分析功能模块运行结果图；其中(a)为采集信号时域波形，(b)为采集信号功率谱；

图15为复盘分析模块运行结果图；其中(a)为航迹绘制结果，(b)为相对距离曲线及坐标方位角显示；

图16为声线绘制模块运行结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，本发明提出一种多功能测试分析声模拟器的设计与实现方法，所述方法包括：

步骤一：根据功能需求及设计指标要求，设计并实现目标模拟功能模块、信号采集与分析功能模块、复盘分析模块及声线绘制模块；

步骤二：设计并实现显控界面及辅助功能模块，功能运行时，通过显控界面进行参数配置，启动相应的辅助功能模块帮助声模拟器系统完成既定工作并通过显控界面对运行结果进行显示；

步骤三：当运行目标模拟功能时，计算机将数据传输至发射机箱，完成信号发射工作；

步骤四：当运行信号采集与分析功能时，计算机将通过接收换能器采集声信号，计算功率谱并进行降采样处理；

步骤五：当运行复盘分析或声线绘制模块时，计算机可无需依赖外部硬件设备，通过本地文件获取必要数据，计算并对结果进行显示。

结合图2-图6，所述目标模拟功能模块具体操作为：

目标模拟功能模块针对发射换能器完成幅频特性匹配后，按(1)式计算发射信号统计归一化参数：

η＝max{|max[x₀(n)]|,|min[x₀(n)]|}n∈[0,N₀-1] (1)

其中η为统计归一化参数，N₀为样本信号点数，x₀(n)为发射信号；

统计归一化后按(2)式完成发射信号的幅度变换：

其中x_N(n)为幅度变换后的信号，N为生成信号点数；

目标模拟所需的经纬度定位信息由与计算机连接的便携式GPS信号接收器通过串口通信上传；发射换能器深度信息由信号发射机箱通过网口通信上传，经由(3)式、(4)式解算得到发射换能器深度；

其中V为压力传感器输出电压，D为深度，N_v为输出电压转换后数值，V₀为参考电压，大小为2V。

所述信号采集与分析功能模块具体操作为：

信号采集与分析功能模块通过计算机TRS接口利用水听器采集声信号，经由(5)式计算信号功率谱：

其中，A(k)为采集信号快速傅里叶变换后得到的复数组；

为满足采集信号的发射需求，对接收信号通过低通滤波器进行抗混叠滤波及整数倍抽取，完成信号的降采样处理。

所述复盘分析模块具体操作为：

复盘分析模块读取目标的GPS定位信息，通过(6)式和(7)式完成坐标投影转换：

其中，

T＝tg²B；C＝e^'2cos²B；A＝(L-L₀)cosB；

式中，L为经度，B为纬度，L₀为中央经线经度；a、e、k₀、FE均为基于卡索夫斯基椭球参数的常数参数，可通过查表获得；

坐标转换后，运用基于冗余信息的噪点剔除方法完成轨迹点的错误点剔除并通过求解(8)式方程对目标运动轨迹进行三次样条插值平滑处理；设模拟曲线表达式为S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³且已知n+1个数据点[x_i,y_i]，i＝0,1…,n，h_i＝x_i+1-x_i，m_i＝S”_i(x_i)＝2c_i，则方程式(8)表示为：

处理后根据坐标点信息计算相对距离及坐标方位角。

所述声线绘制模块具体操作为：

声线绘制模块首先根据设定参数通过(9)式计算海底反射系数：

其中m＝ρ₂/ρ₁，n＝c₁/c₂，Vb(θ)为海底反射系数，θ₁、θ₂分别表示入射波与折射波掠角，I_r为入射声强，I_i为反射声强，ρ₁和ρ₂为两种介质密度，c₂和c₁为两种介质内的声速；

然后根据不同深度声速分布信息及反射系数，调用Bellhop射线跟踪模型计算声线坐标及幅度、时延，完成声线绘制及筛选。

结合图7和图8，用户通过显控界面完成参数设置工作，同时，运行结果通过显控界面进行实时显示。

考量系统运行所需的辅助功能，选择启动文件管理模块、数据传输模块、日志生成及异常处理模块辅助系统运行；

所述文件管理模块对声模拟器运行所需的配置文件及数据文件的文件格式、文件名和存储路径等进行统一管理，完成对文件的创建、读取、重命名、格式转换、移动和删除等操作，确保系统准确的完成文件调用，同时方便用户对生成文件进行编辑；

所述数据传输模块通过串口通信及网口通信完成计算机软件与GPS接收器及发射机箱等硬件间的数据交换和指令控制工作；

所述日志生成及异常处理模块负责记录关键时间节点参数的设定及用户的操作及日志，并在系统发生错误时记录错误信息并及时终止进程，防止出现系统卡死等现象。

结合图9-图12，所述发射机箱包括核心控制单元、硬件接口单元、数模转换单元、信号调理单元和AC-DC单元；

所述核心控制单元采用ARM+FPGA的整体系统设计，通过ARM和FPGA之间的协作，实现信号发射与深度信息上传功能；选取TI公司旗下的OMAP-L138处理器与Xilinx公司旗下的Spartan-6FPGA集成的SOM-OMAP-L138F核心板做为信号发射机箱的处理器。

所述硬件接口单元包括数据传输接口及网络通信接口；数据传输接口为EMIFA，OMAP-L138可通过外部储存接口(EMIFA)与外部储存器进行高速数据传输。同时，可以将EMIFA接口与FPGA相连，FPGA作为数据传输的中继站，通过EMIFA并行传输接口将数据传输到在FPGA中依靠Block RAM配置的缓存区，充分利用FPGA在逻辑判定及时序控制上的优势。网络通信接口的网口芯片选用SMSC公司生产的以太网物理层接口芯片LAN8710A。该网口芯片可选用电压范围在1.6-3.6V的电源供电，可通过数字标准MII或RMII接口连接到MAC层，支持IEEE 802.3或IEEE 802.3u标准，可以提供125Mbps的数据传输速率，具有良好的工业特性。

所述数模转换单元采用DAC8568C芯片；数模转换单元选用TI公司的DAC8568C芯片作为电模拟器硬件系统的数模转换模块核心芯片。DAC8568C是一款数据位宽16位、电压输出型、八通道数模转换器(DAC)。其包含一个2.5V、2ppm/℃内部基准电压，提供2.5V或5V的满量程输出电压范围，亦可提供出色的线性规律并降低不适当的代码至代码转换所造成的瞬时电压(毛刺脉冲)。该器件可由一个运行速率不高于50MHz的时钟驱动，并依靠一组三线制串行接口进行器件配置以及数据传输。

所述信号调理单元用于在数模转换单元的后端通过接入模拟电路的方式对信号进行信号调理，信号调理单元包括信号放大电路、信号衰减电路以及滤波电路。通过信号调理单元将阶梯状的D/A输出信号平滑化，并过滤掉信号发射板产生的电噪声，同时，对信号进行放大或衰减，以满足不同的声呐设备需求；

所述AC-DC单元用于将交流市电转为12V的直流电压，从而为发射机箱提供所需要的数字端5V和3.3V供电，模拟端5V供电。对于数字部分的供电需求，ARM需要3.3V电源供电，FPGA需要3.3V的I/O口供电和1.2V的内部供电(由核心板板上电源转换提供)，D/A转换芯片需要5V电源供电。对于模拟电路，需要为运算放大器提供5V的电源供电。采用交流市电220V-50Hz作为系统供电，通过AC-DC单元转为12V的直流电压，由12V直流电提供发射机箱所需要的数字端5V和3.3V供电，模拟端5V供电。

本发明所述方法具体实现步骤包括以下五个步骤：

步骤一：分别启用四个功能模块，设定功能运行所需参数；

步骤二：针对目标模拟功能模块，利用接收换能器监测发射声信号波形，对比设定的发射参数，测试目标模拟功能。

步骤三：针对信号采集与分析功能模块，通过水听器采集确知信号，对比采集信号与确知信号参数，测试信号采集与分析功能。

步骤四：复盘分析模块读取目标定位文件，完成坐标转换，噪点剔除，轨迹平滑及相对距离与坐标方位角计算。

步骤五：声线绘制模块根据设定参数及声速文件，完成声线绘制及筛选。

各步骤执行结果如图13-图16所示，其中图13为目标模拟功能模块运行结果，对比发射信号及标准水听器的接收信号，接收信号的时域波形、信号频谱与目标模拟功能界面显示的时域波形与信号频谱一致；图14为信号采集与分析功能模块运行结果，采集到的CW脉冲信号与发射信号吻合，未出现波形失真情况；图15为复盘分析模块运行结果；图16为声线绘制模块运行结果。

以上对本发明所提出的一种多功能测试分析声模拟器的设计与实现方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种多功能测试分析声模拟器的设计与实现方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：根据功能需求及设计指标要求，设计并实现目标模拟功能模块、信号采集与分析功能模块、复盘分析模块及声线绘制模块；

步骤二：设计并实现显控界面及辅助功能模块，功能运行时，通过显控界面进行参数配置，启动相应的辅助功能模块帮助声模拟器系统完成既定工作并通过显控界面对运行结果进行显示；

步骤三：当运行目标模拟功能时，计算机将数据传输至发射机箱，完成信号发射工作；

步骤四：当运行信号采集与分析功能时，计算机将通过接收换能器采集声信号，计算功率谱并进行降采样处理；

步骤五：当运行复盘分析或声线绘制模块时，计算机可无需依赖外部硬件设备，通过本地文件获取必要数据，计算并对结果进行显示；

所述目标模拟功能模块具体操作为：

目标模拟功能模块针对发射换能器完成幅频特性匹配后，按(1)式计算发射信号统计归一化参数：

η＝max{|max[x₀(n)]|,|min[x₀(n)]|} n∈[0,N₀-1] (1)

其中η为统计归一化参数，N₀为样本信号点数，x₀(n)为发射信号；

统计归一化后按(2)式完成发射信号的幅度变换：

其中x_N(n)为幅度变换后的信号，N为生成信号点数；

目标模拟所需的经纬度定位信息由与计算机连接的便携式GPS信号接收器通过串口通信上传；发射换能器深度信息由信号发射机箱通过网口通信上传，经由(3)式、(4)式解算得到发射换能器深度；

其中V为压力传感器输出电压，D为深度，N_v为输出电压转换后数值，V₀为参考电压；

所述复盘分析模块具体操作为：

复盘分析模块读取目标的GPS定位信息，通过(6)式和(7)式完成坐标投影转换：

其中，

T＝tg²B；C＝e'²cos²B；A＝(L-L₀)cosB；

式中，L为经度，B为纬度，L₀为中央经线经度；a、e、k₀、FE均为基于卡索夫斯基椭球参数的常数参数，可通过查表获得；

坐标转换后，运用基于冗余信息的噪点剔除方法完成轨迹点的错误点剔除并通过求解(8)式方程对目标运动轨迹进行三次样条插值平滑处理；设模拟曲线表达式为S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³且已知n+1个数据点[x_i,y_i]，i＝0,1…,n，h_i＝x_i+1-x_i，m_i＝S”_i(x_i)＝2c_i，则方程式(8)表示为：

处理后根据坐标点信息计算相对距离及坐标方位角；

所述声线绘制模块具体操作为：

声线绘制模块首先根据设定参数通过(9)式计算海底反射系数：

其中m＝ρ₂/ρ₁，n＝c₁/c₂，Vb(θ)为海底反射系数，θ₁、θ₂分别表示入射波与折射波掠角，I_r为入射声强，I_i为反射声强，ρ₁和ρ₂为两种介质密度，c₂和c₁为两种介质内的声速；

然后根据不同深度声速分布信息及反射系数，调用Bellhop射线跟踪模型计算声线坐标及幅度、时延，完成声线绘制及筛选。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号采集与分析功能模块具体操作为：

信号采集与分析功能模块通过计算机TRS接口利用水听器采集声信号，经由(5)式计算信号功率谱：

其中，A(k)为采集信号快速傅里叶变换后得到的复数组；

为满足采集信号的发射需求，对接收信号通过低通滤波器进行抗混叠滤波及整数倍抽取，完成信号的降采样处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，考量系统运行所需的辅助功能，选择启动文件管理模块、数据传输模块、日志生成及异常处理模块辅助系统运行；

所述文件管理模块对声模拟器运行所需的配置文件及数据文件的文件格式、文件名和存储路径进行统一管理，完成对文件的创建、读取、重命名、格式转换、移动和删除操作，确保系统准确的完成文件调用，同时方便用户对生成文件进行编辑；

所述数据传输模块通过串口通信及网口通信完成计算机软件与GPS接收器及发射机箱硬件间的数据交换和指令控制工作；

所述日志生成及异常处理模块负责记录关键时间节点参数的设定及用户的操作及日志，并在系统发生错误时记录错误信息并及时终止进程，防止出现系统卡死现象。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机箱包括核心控制单元、硬件接口单元、数模转换单元、信号调理单元和AC-DC单元；

所述核心控制单元采用ARM+FPGA的整体系统设计，通过ARM和FPGA之间的协作，实现信号发射与深度信息上传功能；

所述硬件接口单元包括数据传输接口及网络通信接口；

所述数模转换单元采用DAC8568C芯片；

所述信号调理单元用于在数模转换单元的后端通过接入模拟电路的方式对信号进行信号调理，通过信号调理单元将阶梯状的D/A输出信号平滑化，并过滤掉信号发射板产生的电噪声，同时，对信号进行放大或衰减，以满足不同的声呐设备需求；

所述AC-DC单元用于将交流市电转为12V的直流电压，从而为发射机箱提供所需要的数字端5V和3.3V供电，模拟端5V供电。

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