郁 蓉

（中國船舶重工集團公司第七○五研究所 西安 710075）

1 引言

在現(xiàn)代信號處理中，普遍需要現(xiàn)場采集大量的信號數(shù)據，為信號處理技術研究提供仿真驗證和性能評估的依據。在使用過程中，需要實時記錄產品的工作狀態(tài)信息，便于在出現(xiàn)問題后，進行問題的復現(xiàn)。高性能的數(shù)據回放設備為應用各種算法對信號數(shù)據進行分析提供依據，為檢驗系統(tǒng)工作性能提供了重要的技術手段，為探測畫面，分析目標參數(shù)和系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供依據。因此數(shù)據回放系統(tǒng)在軍用和民用信號處理系統(tǒng)中都有廣泛應用。

聲納系統(tǒng)作為核心系統(tǒng)，其功能隨要求的提高而日趨復雜。為了對聲納系統(tǒng)進行全面的性能指標測量及功能摸底，需要完成大量的水池試驗及外場試驗。聲納系統(tǒng)數(shù)據回放分析軟件正是為聲納水池、外場試驗數(shù)據的顯示判讀、試驗情況分析、參數(shù)優(yōu)化、故障歸零提供依據。本軟件的設計將有效地減少試驗次數(shù)，縮短研制周期，從而極大地降低了聲納系統(tǒng)的研制成本。

2 聲納工作原理［1］

聲納系統(tǒng)通常由發(fā)射機、接收機、數(shù)字信號處理機及聲學換能器等組成。通常分為主動、被動兩種工作方式。

1）主動聲納工作原理：由信號數(shù)字處理機產生脈沖信號，經過發(fā)射機放大后激勵發(fā)射換能器，向水面發(fā)射探測信號，該信號經目標反射后，由接收換能器接收并送入聲納接收機，接收機對輸入的模擬信號進行預處理后送入信號處理機A／D端口，信號處理機完成信號的采集、處理后，將原始數(shù)據和處理結果保存。

2）被動聲納工作原理：目標輻射噪聲由接收換能器接收并送入聲納接收機，接收機對輸入的模擬信號進行預處理后送入信號處理機A／D端口，信號處理機完成信號的采集、處理后，將原始數(shù)據和處理結果保存到falsh中。

保存的數(shù)據通常包括主被動原始的A／D采集數(shù)據、波束形成后的數(shù)據，以及各種檢測結果，包括目標的距離、方位等重要參數(shù)信息。

3 數(shù)據回放分析軟件設計

圖1 主動A／D采樣及增益控制

本軟件采用基于圖形化的編程語言Labview進行開發(fā)。Labview是一種強有力的虛擬儀器開發(fā)工具，主要用于儀器控制、數(shù)據采集、數(shù)據分析、數(shù)據顯示領域。

3.1 軟件功能

軟件的主要功能包括：數(shù)據記錄、分析處理、圖形化顯示。整個程序采用模塊化設計。

3.2 界面介紹

軟件采用多文檔結構，操作方便。所有功能在主菜單中進行操作，并支持多窗口打開，便于在使用過程中進行多種方式的功能對比。圖1為主動A／D采樣及增益控制界面。界面主要分為兩個部分，上半部分用于顯示試驗全程的增益放大倍數(shù)以及增益控制碼，下半部分用于顯示主動通道的A／D采樣數(shù)據。由于每次試驗的數(shù)據量很大，為了防止由于數(shù)據量過大造成顯示時間過長，可以通過輸入起始結束周期并選擇需要的通道數(shù)來顯示。在圖形顯示中可以通過圖形的游標精確地定位具體數(shù)值，并且具有便捷的局部放大和恢復功能。此外，不同的通道圖對應的曲線顏色不同，并在圖形的左邊進行顯示。

3.3 功能程序設計

各功能程序使用Labview程序語言編寫而成，并充分利用了Labview工具箱提供的各種數(shù)組操作、信號分析等函數(shù)。下面主要就主動檢測數(shù)據的讀取、分析、顯示等軟件做一簡要介紹。數(shù)據軟件工作框圖如圖2所示。

圖2 軟件功能圖

3.3.1 數(shù)據格式

各類數(shù)據在存儲時采用統(tǒng)一的格式，以便軟件有更好的可移植性和通用性。不同型號的聲納系統(tǒng)采用一致的數(shù)據格式即可實現(xiàn)回放軟件的通用性。大大減少重復的軟件設計和編制工作，加快研制周期。例如在數(shù)據的前端增加一個8個32bit的整型數(shù)字頭，將數(shù)據的長度、類型、分類等信息進行標定。

1－數(shù)據起始標志字（特殊字，如AAAA）；

2－記錄此批數(shù)據的總長度；

3－記錄此批數(shù)據的數(shù)據類型（1表示整型、2表示浮點等）；

4－記錄此批數(shù)據的工作方式（1表示主動方式、2表示被動方式等）；

5－記錄此批數(shù)據的分類（1表示A／D采樣數(shù)據、2表示波束形成數(shù)據、3表示檢測數(shù)據等）；

6－記錄此批數(shù)據的工作模式（1表示增益自適應、2表示門限自適應、3表示工作模式等）；

7－記錄此批數(shù)據的運行時間（定時器相對時間）；

8－預留信息。

3.3.2 數(shù)據讀取

在數(shù)據讀取的過程中根據規(guī)定的數(shù)據格式，先讀n個32bit的字頭，然后判斷后面讀取的數(shù)據的長度和類型，再將數(shù)據按要求進行整理。讀取數(shù)據時，若數(shù)據中間出現(xiàn)異常，可根據字頭中的標志字進行整理。這樣可以保證在重要數(shù)據出現(xiàn)異常情況時，可以將異常數(shù)據刪除，從而保證大多數(shù)數(shù)據正常讀取并顯示。

3.3.3 主動信息分析顯示

主動聲納是根據探測與目標之間距離的遠近，按照一定的時間周期進行的。每個周期根據工況的不同采用不同幀數(shù)、不同滑動以及不同信號處理字長度算。數(shù)據分析并圖形化顯示，能一目了然地看出主動聲納系統(tǒng)在試驗過程中的具體采樣、波束形成、檢測以及結果信息，達到快速準確分析試驗結果、檢測聲納工作是否正常、幫助確定檢測門限以及確定通道增益放大量是否合適的目的。主動工作流程如圖3所示。

圖3 主動回放流程

4 應用實例

圖4 某次試驗某周期主動檢測數(shù)據回放

圖5 某次試驗被動檢測結果

本軟件已應用于聲納系統(tǒng)的研制工作中，圖4為某次試驗數(shù)據截取的一個主動工作周期的結果。圖5為某次試驗數(shù)據被動檢測的結果。

從圖4中最上面的圖形中可以看出試驗中，主動工作方式下各個周期發(fā)現(xiàn)目標的情況，以及發(fā)現(xiàn)目標周期是否連續(xù)。根據需要在周期號中輸入周期號，得到指定周期的三維強度圖，圖形的左邊顯示本周期檢測的結果信息包括目標距離、方位、頻率等。中間的圖形有黑、蘭、白三種顏色，顏色越白說明檢測值越大，越有可能是期望的目標。根據目標所在的位置通過游標得到目標所出現(xiàn)的濾波器號和幀號，在下面的兩個兩維圖形中可以更清晰的顯示出檢測值和門限的關系，以確定門限是否設置恰當。根據圖形的顯示，可以調整聲納檢測門限或調整算法，以達到更早、更快、更準確地發(fā)現(xiàn)目標和提高聲納系統(tǒng)作用距離等關鍵技術指標的作用。

從圖5中可以看到，根據輸入被動檢測的段號，在最上面的圖形中顯示出被動各個波束的檢測值。在下面兩個圖形中，分別顯示單個波束在規(guī)定時間范圍內檢測結果和門限的對比情況，以及規(guī)定時間點處所有波束檢測值和門限的對比情況。根據圖形的顯示可以清晰判斷出門限是否合適以及目標特征是否明顯，為提高算法檢測能力提供依據。當聲納系統(tǒng)參數(shù)設置不合適時，通過回放圖形的比較，可快速定位故障，并進行參數(shù)優(yōu)化，使其得到正確的檢測結果，實現(xiàn)了故障的快速定位及歸零。

5 結語

數(shù)據回放技術，作為現(xiàn)代信號檢測技術的重要組成部分，是數(shù)據采集存儲技術的后續(xù)和衍生。其與數(shù)據采集技術、信號處理技術相結合，已在雷達、通訊、水聲遙測、地震勘測等許多領域有著廣泛的應用。隨著人們對信號檢測技術性能需求的不斷提高，如何能快速、精確地實現(xiàn)大量歷史數(shù)據的回放，為信號處理技術提供有效的歷史數(shù)據，已成為信號檢測技術的研究重點之一。本軟件具有數(shù)據回讀、顯示、結果分析驗證等功能，軟件界面友好，實用性強。軟件的設計采用模塊化結構，可移植性強，并且增加軟件功能、修改參數(shù)簡單方便。軟件投入使用后為聲納系統(tǒng)的研制工作提供了很大的便利，具有很好的工程應用價值。

［1］李志舜.魚雷自導信號與信息處理［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2004：49－50.

［2］Urick.水聲原理［M］.哈爾濱：哈爾濱船舶工業(yè)學院出版社，1990：20－25.

［3］李啟虎.數(shù)字式聲納設計原理［M］.合肥：安徽教育出版社，2003：30－33.

［4］陳春玉，等.反魚雷技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006：91－97.

［5］孟慶玉，張靜遠，宋保維.魚雷作戰(zhàn)效能分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003：113－117.

［6］田坦，劉國枝，孫大軍.聲納技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000：345－350.

［7］王曉軍，武文，林云生，等.一種混沌相位編碼信號形成于處理系統(tǒng)設計［J］.現(xiàn)代雷達，2005：80－120.

［8］劉伯勝，雷家煜.水聲學原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1997：521－550.

［9］胡廣書，數(shù)字信號處理［M］.北京：清華大學出版社，2004：433－440.

［10］苑秉成，陳喜.水聲自導原理基礎［M］.北京：海潮出版社，1992：372－390.