７４ 探测与控制学报 可以模拟实际的仪器；内置了许多用于分析测量数 据的函数，能够胜任大多数测量任务；ＬａｂＶＩＥＷ可 由多个传感器组成的传感器阵列，其自主定位 的原理是：传感器阵列中有 （这里取 一４）个阵元 以实现与其它编程语言之间的通信来扩展软件平台 上装有水声收发设备，将其作为定位基站，其余的阵 的功能；提供各种接口总线和常用仪器的驱动程序， 元上只有水昕器。传感器阵列自主定位时，作为基 用户可将其与测量硬件连接，方便地完成信号数据 站的４个传感器阵元以一定的周期轮流发送时统信 采集、分析处理以及数据存储等许多通常的任务［３］。 号和水声定位信号，在时间周期上保证一个基站发 射信号时，其它传感器阵元已经接收完另一个基站 ２水声信号定位系统组成及工作原理 ２．１水声信号定位系统的组成 水声信号定位系统采用的是无线电一声定位方 法。它由两大部分组成：位于地面的主控中心站，包 括计算机（主要用于水声信号的分析处理以及结果 的显示与输出）、数据采集模块、无线收发模块；位于 水中的基站，它包括无线收发模块、控制模块、传感 器模块。在该系统中，中心站通过无线电信号将各 控制指令传输给基站控制模块，来控制各模块的初 始化、自检、校准以及是否开始运行等工作；基站控 制模块在接收到指令后开始上述工作并进行采集， 其中传感器采集到的信号经信号调理（隔离、放大、 滤波，电压调整到ＡＤＧ的动态范围）后送到ＡＤＣ， 经过抽样、量化、编码，待接到中心站传来的发送数 据指令后将数据信号通过无线电传回主控中心站， 待进一步的信号处理、数据分析等，然后将处理后的 声信号数据通过编写好的ＴＤ０Ａ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ，到达时间差，无源定位方法）定位算法模 块，实现传感器的定位。水声信号定位系统的组成 如图１所示。 竺！竺！Ｈ竺兰 卜 信 结 采 号 果 集 的 的 存 分 — 显 ； 储 析 不 与 与 处 ＇ｒ石 ， 理 输 出 信号的获取与采集 图１水声信号定位系统组成 ２．２水声信号定位原理 悬浮在水中的测量单元会受到水流的影响，而 且在恶劣气候条件下这种影响是巨大的。因此采用 传感器阵列网络进行测量，保证测试时各传感器之 间的相对位置是确定的。 发出的声定位信号，避免水声信号之间的干扰。通 过测量传感器阵元之间的声波传输时间和声速，从 而解算出传感器阵元之间的相对位置信息。 ２．３水声信号定位系统工作流程 水声信号定位系统工作流程如图２所示。 图２水声信号定位系统工作流程图 其工作的具体过程为：主控中心站开始工作后， 首先发送指令给基站系统让其自检并要求有自检完 成的应答信息传回，则系统初始化完毕；系统各部分 开始运行，并将一直处于等待接收数据状态；对传感 器、数采卡等的配置参数进行设置，则采集初始化完 毕；此时硬件系统等待触发信号的到来，软件系统则 等待控制指令（如开始采集等指令）；若均没有检测 到信号则继续等待，若硬件系统检测到触发信号而 软件系统也检测到指令信号（在配置参数不发生改 变的情况下，否则重新开始设置配置参数），则连同 维普资讯 http://www.cqvip.com 周 惠等：ＬａｂＶＩＥＷ在水声信号处理系统中的应用 软件系统的命令一起执行下一步即采集、存储；无线 ７５ 电发送系统将基站获取的信息传回；其中当基站存 储器满时向主控中心站发送请求，看是否先删除部 分信息以释放存储空间，然后执行主控中心站的指 令将数据信息传回主控中心站；最后将数据存人数 据库，对数据进行分析处理，实现结果的显示输出 等。并且系统设置一种安全模式，当系统在任一个 环节检测到出现问题时，主控中心站即可发送指令 强制让其停止工作，且该执行优先级最高。在此种 异常情况时，则要记录一段时间内有关的运行数据， 起到一个黑匣子的作用。 试验海域内的温度、含盐度、水击波和气泡能的 大小、水声信号的传播速度、周期、频率等参数是通 过将多模式传感器置入水中进行测量得到的，但是 由于海洋环境的复杂性，信号采集过程中会受到很 多随机因素（如海杂波、船舶辐射噪声等）的影响，因 此水声信号处理模块至关重要。 ３ ＬａｂＶＩＥＷ在水声信号定位系统中 的应用 在水声信号的处理技术中，因水下环境的复杂 性，目标信息往往淹没在各种各样的干扰背景中。 本系统对接收到的混杂有多种噪声的水声信号进行 处理，主要是对其进行滤波降噪、频谱分析、特征提 取等处理，搭建的信号处理模块成为水声信号定位 系统软件平台的重要组成部分。鉴于ＬａｂＶＩＥＷ的 诸多优点和对本系统软硬件的适合性，采用Ｌａｂ— ＶＩＥＷ７．１版本，系统程序界面如图３。 平台总体界面设计实现的是操作人员熟悉的下 拉菜单的形式，包括文件——实现文件打开、保存以 及退出该系统等基本操作；系统设置——对系统进 行参数设置、模式选择等；操作——控制系统的运 行、暂停、停止；数据显示——参数显示、波形显示 等；信号分析处理——可实现一些常用的信号分析 处理如：已经设计的Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｉｓｈｅｖ、Ｂｅｓ— ｓｅｌ、Ｅｌｌｉｐｔｉｃ等滤波器，可进行信号相关，信号ＦＦＴ、 ＷＶＤ频谱分析、海明窗、线性拟合、多项式拟合；另 外“帮助”里显示该系统对使用者遇到的一般问题的 帮助以及版权归属。其中一些常用功能还设置了快 捷键方式。系统软件平台程序前面板如图３所示， 其对应于图４的框图程序。 图３水声信号处理软件平台程序界面 曼！ｌ 匿一 幽 １ 圈一ｒ因 口蛋… 翻 ｌ Ｊ 盛 ・ ＿ｌ ｌ 匐 １』Ｉ Ｊｌｌ 藩 。囊誉骥辍翳赣黼黼麟黧赫 鳍 鞠褥赣馥赣鸹褐懊糠鲢髓赣鞫秘羁 馥毽 Ｊ 圜ｌ ■ 。。 ｌ 图４水声信号处理软件平台框图程序 这种下拉菜单式的设计主要是为了让操作员都 能快速地适应到操作环境中，并方便地按照各选项 对后续的采集系统、传感器等传输控制指令，实现相 应的控制。 本系统接收水中声信号所在声场中主要存在三 类噪声，即海洋环境噪声、船舶噪声和目标辐射噪 声，则对接收到的该类信号进行信号处理的目的就 是从混有这三类噪声的信号中提取水声信号的特征 信息，通过对杂波等背景噪声的消除来达到信号提 取的目的。其中相关是一种常采用的信号处理方 法ｉ ，它主要是利用噪声远场和近场相关特性的差 别取得处理增益。图５为系统中仿真的自相关处理 程序。图６为已经设计仿真的几种滤波器的相应程 序图。 水下噪声是一种随机噪声，由于水声信道的时 变性、空变性以及水声信号传播的多途径效应等，造 成水声信号具有较强的非平稳性和非高斯性［ ，所 以要研究从非平稳角度来提取的特征信息。传感器 接收到的噪声信号是多种多样的，频谱特性是获得 目标信息的常用手段，可以通过ＷＶＤ对测得的水 声信号进行分析，以观测信号的能谱分布。图７所 维普资讯 http://www.cqvip.com ７６ 探测与控制学报 示为系统仿真的ＷＶＤ频谱分析程序图。Ｗｉｇｎｅｒ－ 频域上对非平稳信号进行联△时频分析能够在时域。 图５自相关处理仿真程序界面 图６几种滤波器的程序图 图７ ｗｖＤ频谱分析程序图 ４ Ｌ计 ａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ混合编程 一 。工 另外，根据处理大量数据的需要，本系统将 ＬａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ混合编程技术应用于水声 信号处理，以达到更好的处理效果。 虽然ＬａｂＶＩＥＷ内置了许多用于分析测量数据 的函数，对于一般信号的分析处理比较方便，能够胜 任大多数测量任务，但是其本身也存在不足，如：不 擅长完成大量数据处理的任务。因此，对于一些需 要进行大量数据运算处理的复杂应用，仅仅用Ｌａｂ— ＶＩＥＷ就显得有些力不从心。另外，ＭＡＴＬＡＢ软 件以其强大的科学计算功能、大量稳定可靠的算法 库、编程效率高等特点已成为数学计算工具方面事 实上的标准，在信号处理等领域具有无可比拟的优 势。因此结合上述两者的优点，可以通过ＬａｂＶＩＥＷ 程序接口函数来调用其它各种应用程序和ＭＡＴ— ＬＡＢ软件中强大的数据处理软件包，这样结合可以 使软件平台系统具有更强的数据处理能力。本系统 采用ＭＡＴＬＡＢ Ｓｃｒｉｐｔ节点法，因为使用ＭＡＴＬＡＢ Ｓｃｒｉｐｔ节点法快捷方便，该方法具有多输入、多输出 的特点，一次处理的信息量可以很大；而且ＭＡＴ－ ＬＡＢ程序可以直接输入节点中，也可以先在ＭＡＴ－ ＬＡＢ下调试，无误后再导入到ＭＡＴＬＡＢ Ｓｃｒｉｐｔ节 点中。运行ＬａｂＶＩＥＷ执行该节点，则同时启动一 个ＭＡＴＬＡＢ进程。ＭＡＴＬＡＢ Ｓｃｒｉｐｔ节点实际上 是通过ＡｃｔｉｖｅＸ控件与ＭＡＴＬＡＢ Ｓｅｒｖｅｒ进行通信 的。调用ＭＡＴＬＡＢ函数或命令，实质是将ＭＡＴ— ＬＡＢ当作一个ＡｃｔｉｖｅＸ服务器并建立ＡｃｔｉｖｅＸ通 道，然后将这个函数或命令通过ＡｃｔｉｖｅＸ通道发给 ＭＡＴＬＡＢ，由ＭＡＴＬＡＢ在后台执行，因此在计算 机中必须安装有ＭＡＴＬＡＢ。 ５ 结论 ＬａｂＶＩＥｗ是当今运用非常广泛的虚拟仪器开 发平台软件，是一种非常优秀的面向对象的图形化 编程语言，能够方便地完成信号数据采集、信号处理 分析、数据存储以及数据处理等任务，特别地将它应 用于水声信号处理中并建立系统，针对水声信号特 （下转第８Ｏ页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
８０ 探测与控制学报 Ｒ／Ｗｂ．－一Ｂｉｔ７确定将进行的操作是读还是写， Ｘ Ｘ Ｂｊｔ６和Ｂｉｔ５没有使用，Ａ４、Ａ３、Ａ２、Ａ１、Ａ０为 将传输的数据的寄存器地址。后一个时段是传输的 数据，此操作是寄存器级的而不是字节级的，意思是 地址码所对应的是一个寄存器，而不是一个字节（８ 位）；例如频率控制字寄存器为３２位，既８个字节一 次写入，当频率控制字被写入ＡＤ９９５１后并不能使 用，必须在１０ＵＰＤＡＴ引脚加上一个脉冲，在该脉 冲的上升沿数据更新，ＡＤ９９５１按新的频率控制字 产生信号。由公式（１）写入ＤＤＳ的频率控制字 图５软件流程图 ＦＴＷ＝（ｆｏ ／ ）・２。 或ＦＴＷ一（１一厂０ ／ ）・２驼， 其中ｆｏ 为跳频频点中第ｉ点的中心频率。 ５ 结束语 ３系统指标分析 本信号源利用ＤＳＰ和ＤＤＳ实现了全数字化的 快速跳频通信信号源具有结构简单、方便、成本低的 本跳频信号源指标按６００跳／ｓ的跳速计算，每 特点。目前的主要缺陷是输出信号的频率上限还不 个跳频点所需时间为：１ ｓ／６００—１．６７ ｍｓ；按２０个 够高，对之可使用倍频或配合锁相环技术来解决，同 跳频点、３．４ ＭＨｚ跳频基带、６８ ＭＨｚ跳频带宽、１０６ 时随着数字集成技术的飞速发展，ＤＤＳ的输出频率 ＂－１７４ ＭＨｚ跳频频率中含２０个频点来计算，各频 将会越来越高。 率中心频率为１０７．７ ＭＨｚ、１１１．１ ＭＨｚ、１１４．５ ＭＨｚ、１１７．９ ＭＨｚ、１２１．３ ＭＨｚ、…、１６２．１ ＭＨｚ、 参考文献： １６５．５ ＭＨｚ、１６８．９ ＭＨｚ、１７２．３ ＭＨｚ共２０个频 点。本系统所选用的ＤＳＰ ＴＭＳＣ５４０２的主频为 ［１］Ｖｅｎｃｅｓｌａｖ Ｋｒｏｕｐａ．Ｄｉｒ￣ｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒｓ １００ ＭＨｚ、ＡＤ９９５ｌ主频为４００ ＭＨｚ，频率更新时间 ＥＭ］．ＵＳ：ｗｉｌｅｙ＿ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，１９９８． 为６０ ｎｓ，所以可保证在高速跳变速率及１０６～１７４ Ｅ２］朱铭浩，赵勇，甘泉．ＤＳＰ应用系统设计［Ｍ］．北京：电子 ．工业出版社，２００２． ＭＨｚ跳频频率中含２Ｏ个频点的指标要求。 ［３］戴明桢，周建江．ＴＭＳ３２Ｏｃ５４】（ＤＳＰ结构原理及应用 ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００１． ４软件流程图 Ｅ４］郑红，吴冠．ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘＤＳＰ应用系统设计［Ｍ］．北京： 北京航空航天大学出版社，２００２． 系统软件流程图见图５。 （上接第７６页） 计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５． 点进行信号处理，该系统提供了良好的用户图形界 ［２］陈宵雅，金心宇．结合ＭＡＴＬＡＢ的虚拟仪器技术在谐波 面，又具有很强的处理能力、计算机图形化显示以及 测量系统中的应用［Ｊ］．电测与仪表，２００５，（４）：２３—２６． 更强大的数据分析能力，此外，结合ＬａｂＶＩＥＷ和 ［３３ Ｈｅｉｎｒｉｃｈｓ Ｇ。Ｒｏｎｇｅｎ Ｈ。Ｊａｍａｌ Ｒ Ｕｓｉｎｇ ＬａｂＶＩＥＷ ｆｏｒ ＭＡＴＬＡＢ的混合编程技术又使得系统具有更强大 ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ 的数据处理分析能力。编程仿真取得了较好的处理 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ ｓｌｏｗ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ａｔ ＣＯＳＹ［Ｊ］．Ｎｕ～ ｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｅｃ－ 效果。 ｔｉｏｎ Ａ：Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ，Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ，Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ａｓｓｏ— ｃｉａｔｅｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，１９９４，３５２（１）：４４９—４５４． 参考文献： ［４］霍顿．水声信号处理［Ｍ］．北京；国防工业出版社，１９７８． Ｅ５］邓辰炜．多通道水声信号数据预处理的虚拟仪器技术 ［１］侯国平，王坤，叶齐鑫．ＬａｂＶＩＥＷ７．１编程与虚拟仪器设 ＥＤ］．西安：西北工业大学，２００４．
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