基于Labview的声纳系统数据回放分析软件＊

郁 蓉

（中国船舶重工集团公司第七○五研究所 西安 710075）

1 引言

在现代信号处理中，普遍需要现场采集大量的信号数据，为信号处理技术研究提供仿真验证和性能评估的依据。在使用过程中，需要实时记录产品的工作状态信息，便于在出现问题后，进行问题的复现。高性能的数据回放设备为应用各种算法对信号数据进行分析提供依据，为检验系统工作性能提供了重要的技术手段，为探测画面，分析目标参数和系统的优化设计提供依据。因此数据回放系统在军用和民用信号处理系统中都有广泛应用。

声纳系统作为核心系统，其功能随要求的提高而日趋复杂。为了对声纳系统进行全面的性能指标测量及功能摸底，需要完成大量的水池试验及外场试验。声纳系统数据回放分析软件正是为声纳水池、外场试验数据的显示判读、试验情况分析、参数优化、故障归零提供依据。本软件的设计将有效地减少试验次数，缩短研制周期，从而极大地降低了声纳系统的研制成本。

2 声纳工作原理［1］

声纳系统通常由发射机、接收机、数字信号处理机及声学换能器等组成。通常分为主动、被动两种工作方式。

1）主动声纳工作原理：由信号数字处理机产生脉冲信号，经过发射机放大后激励发射换能器，向水面发射探测信号，该信号经目标反射后，由接收换能器接收并送入声纳接收机，接收机对输入的模拟信号进行预处理后送入信号处理机A／D端口，信号处理机完成信号的采集、处理后，将原始数据和处理结果保存。

2）被动声纳工作原理：目标辐射噪声由接收换能器接收并送入声纳接收机，接收机对输入的模拟信号进行预处理后送入信号处理机A／D端口，信号处理机完成信号的采集、处理后，将原始数据和处理结果保存到falsh中。

保存的数据通常包括主被动原始的A／D采集数据、波束形成后的数据，以及各种检测结果，包括目标的距离、方位等重要参数信息。

3 数据回放分析软件设计

图1 主动A／D采样及增益控制

本软件采用基于图形化的编程语言Labview进行开发。Labview是一种强有力的虚拟仪器开发工具，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示领域。

3.1 软件功能

软件的主要功能包括：数据记录、分析处理、图形化显示。整个程序采用模块化设计。

3.2 界面介绍

软件采用多文档结构，操作方便。所有功能在主菜单中进行操作，并支持多窗口打开，便于在使用过程中进行多种方式的功能对比。图1为主动A／D采样及增益控制界面。界面主要分为两个部分，上半部分用于显示试验全程的增益放大倍数以及增益控制码，下半部分用于显示主动通道的A／D采样数据。由于每次试验的数据量很大，为了防止由于数据量过大造成显示时间过长，可以通过输入起始结束周期并选择需要的通道数来显示。在图形显示中可以通过图形的游标精确地定位具体数值，并且具有便捷的局部放大和恢复功能。此外，不同的通道图对应的曲线颜色不同，并在图形的左边进行显示。

3.3 功能程序设计

各功能程序使用Labview程序语言编写而成，并充分利用了Labview工具箱提供的各种数组操作、信号分析等函数。下面主要就主动检测数据的读取、分析、显示等软件做一简要介绍。数据软件工作框图如图2所示。

图2 软件功能图

3.3.1 数据格式

各类数据在存储时采用统一的格式，以便软件有更好的可移植性和通用性。不同型号的声纳系统采用一致的数据格式即可实现回放软件的通用性。大大减少重复的软件设计和编制工作，加快研制周期。例如在数据的前端增加一个8个32bit的整型数字头，将数据的长度、类型、分类等信息进行标定。

1－数据起始标志字（特殊字，如AAAA）；

2－记录此批数据的总长度；

3－记录此批数据的数据类型（1表示整型、2表示浮点等）；

4－记录此批数据的工作方式（1表示主动方式、2表示被动方式等）；

5－记录此批数据的分类（1表示A／D采样数据、2表示波束形成数据、3表示检测数据等）；

6－记录此批数据的工作模式（1表示增益自适应、2表示门限自适应、3表示工作模式等）；

7－记录此批数据的运行时间（定时器相对时间）；

8－预留信息。

3.3.2 数据读取

在数据读取的过程中根据规定的数据格式，先读n个32bit的字头，然后判断后面读取的数据的长度和类型，再将数据按要求进行整理。读取数据时，若数据中间出现异常，可根据字头中的标志字进行整理。这样可以保证在重要数据出现异常情况时，可以将异常数据删除，从而保证大多数数据正常读取并显示。

3.3.3 主动信息分析显示

主动声纳是根据探测与目标之间距离的远近，按照一定的时间周期进行的。每个周期根据工况的不同采用不同帧数、不同滑动以及不同信号处理字长度算。数据分析并图形化显示，能一目了然地看出主动声纳系统在试验过程中的具体采样、波束形成、检测以及结果信息，达到快速准确分析试验结果、检测声纳工作是否正常、帮助确定检测门限以及确定通道增益放大量是否合适的目的。主动工作流程如图3所示。

图3 主动回放流程

4 应用实例

图4 某次试验某周期主动检测数据回放

图5 某次试验被动检测结果

本软件已应用于声纳系统的研制工作中，图4为某次试验数据截取的一个主动工作周期的结果。图5为某次试验数据被动检测的结果。

从图4中最上面的图形中可以看出试验中，主动工作方式下各个周期发现目标的情况，以及发现目标周期是否连续。根据需要在周期号中输入周期号，得到指定周期的三维强度图，图形的左边显示本周期检测的结果信息包括目标距离、方位、频率等。中间的图形有黑、兰、白三种颜色，颜色越白说明检测值越大，越有可能是期望的目标。根据目标所在的位置通过游标得到目标所出现的滤波器号和帧号，在下面的两个两维图形中可以更清晰的显示出检测值和门限的关系，以确定门限是否设置恰当。根据图形的显示，可以调整声纳检测门限或调整算法，以达到更早、更快、更准确地发现目标和提高声纳系统作用距离等关键技术指标的作用。

从图5中可以看到，根据输入被动检测的段号，在最上面的图形中显示出被动各个波束的检测值。在下面两个图形中，分别显示单个波束在规定时间范围内检测结果和门限的对比情况，以及规定时间点处所有波束检测值和门限的对比情况。根据图形的显示可以清晰判断出门限是否合适以及目标特征是否明显，为提高算法检测能力提供依据。当声纳系统参数设置不合适时，通过回放图形的比较，可快速定位故障，并进行参数优化，使其得到正确的检测结果，实现了故障的快速定位及归零。

5 结语

数据回放技术，作为现代信号检测技术的重要组成部分，是数据采集存储技术的后续和衍生。其与数据采集技术、信号处理技术相结合，已在雷达、通讯、水声遥测、地震勘测等许多领域有着广泛的应用。随着人们对信号检测技术性能需求的不断提高，如何能快速、精确地实现大量历史数据的回放，为信号处理技术提供有效的历史数据，已成为信号检测技术的研究重点之一。本软件具有数据回读、显示、结果分析验证等功能，软件界面友好，实用性强。软件的设计采用模块化结构，可移植性强，并且增加软件功能、修改参数简单方便。软件投入使用后为声纳系统的研制工作提供了很大的便利，具有很好的工程应用价值。

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