基于虚拟仪器的海洋环境水下电磁场观测系统设计

田 稷

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

0 引言

近年来，随着武器装备的发展与海洋开发的深入，对海洋环境的重视程度越来越高。尤其是海洋中的环境电磁场，对海洋开发及武器装备的研究都有着重要的影响。

海洋中的环境电磁场，一方面有着重要的科学研究价值和显著的经济效益。例如大地电磁场可用于海洋石油勘探以及深部地质、区域地质调查;海水流动产生的电磁场可用来研究海水各种运动 (海水表面长波、内波、潮汐和海流等)。但另一方面，海洋环境电磁场却是军事应用的干扰源，影响到海军武器装备的实战性能，甚至使武器在海战中失效。另外，海洋环境电磁场是水中目标电磁场探测以及舰船电磁场隐身测试的干扰源，降低了远程探测能力和测试数据的精度。

由于海洋中存在多种环境电磁场，既有包括大地电磁场、海流和海洋波浪产生的天然电磁场，也有高压输电线、交通工具、工厂、码头电机作业所产生的人为因素的电磁场。通过建立合适的海洋环境电磁场观测系统，可以进行长期的环境电磁场观测，获取有效数据，结合海洋温度、深度、盐度及洋流等其他环境信息来开展海洋环境电磁场特性的分析。

1 系统设计概述

本系统是基于对海洋环境水下电磁场的观测建立的，针对海洋电磁场的环境特征，通过建立观测方法，并结合系统的布放和观测条件进行系统设计。主要遵循以下原则:

1)智能化。灵活多样的测量方式，因为水下多种物理场对采样率、采样精度的要求不同;快捷、方便的采集软件，利于程序员调试、测量人员操作;

2)小型化。为了方便海上实测、布放的需要，以及对于水密舱的设计需要，小型的采集系统将是首选。

结合以上设计原则，本文采用NI的虚拟仪器技术实现系统设计。在虚拟仪器中，将信号的采集与系统的控制、数据的分析与处理、结果的显示与输出功能模块部分或全部由计算机来完成。可以用功能强大的计算机软件来代替某些传统的测量仪器，从而大大减少设备量和成本，与传统的测量方法相比具有高性价比、简洁、方便、灵活等特点。

同时，系统采用有缆方式，这样可以实时进行信号的观测、存储与处理，并对系统状态进行监控。由于试验海域距离观测站距离较远，传统的电缆传输遇到了数据传输的瓶颈，采用光缆传输，可以有效解决此问题。

2 系统硬件架构

系统硬件组成包括水下电子舱、岸站测控终端、数据传输模块等3部分。系统硬件架构如图1所示。

1)水下电子舱组成

水下电子舱集成有传感器、信号调理模块、采集器、环境测量传感器等几部分。具体系统结构见图2。

电场传感器和磁场传感器采用三分量测量方式，通过信号调理，将电磁场信号分为多个频段进行采集。采集器分别对电磁场的直流、交流信号进行采集，再通过网络将原始信号输出，利用温度传感器、深度传感器和姿态传感器，对系统布放的环境参数及姿态信息进行测量，将温度、深度、姿态的原始数据通过网络输出。

采集器是观测系统的核心部件，系统采用NI Compact RIO模块，主要由控制器 (NI 9014)、机箱 (NI 9103)和采集板卡 (NI 9234)组成。

大学生作为志愿者和基层工作者的实施主体，在项目中能够实现个人的价值追求和人生成长。自我效能感主要是指自己对个体本身能否成功进行的某一成就行为的主观判断，也是影响个体自我调控的关键变量，它反映了当前个体采取适当的行动面对环境挑战的理想信念。

2)岸站测控终端

岸站测控终端包括1台计算机及系统供电电源。计算机运行基于LabVIEW编写的上位机程序，对海洋的环境电磁场数据进行实时观测，并实现对观测系统的控制与数据存储、回放等功能。

3)数据传输模块

数据传输模块主要由光电复合缆、光电转换模块组成。在水下电子舱内的光电转换模块，将网络的电信号，转换为光信号通过光电复合缆，传输回岸站测控终端，再由终端的光电转换模块转换为网络电信号，通过网线送入计算机内，实现观测系统的实时数据传输功能。系统的供电，通过光电复合缆的电缆进行传输。

3 观测系统软件设计

软件设计是系统设计的关键，系统软件的开发与设计应用基于NI的LabVIEW8.6.1。采用模块化设计，利于软件的更新、功能扩展等。软件主要完成以下功能:

1)数据采集功能，包括电磁场数据、温度数据、深度数据的采集等。

2)系统控制，包括系统采集控制，数据存储控制，采样率设置等。

3)系统状态监控，包括系统的姿态信息、通讯状态等。

程序设计的架构，基于NI硬件完成，主要包括FPGA内的驱动程序、控制器内的下位机程序及岸站测控终端计算机的上位机程序等3部分，实现系统的采集与控制功能，如图3所示。

图3 软件系统功能模块示意图Fig.3 The sketch map of the software system function module

系统FPGA内的硬件驱动模块驱动NI9234采集卡，通过下位机内的采集模块，进行系统的采集工作。

系统加电运行时，下位机的网络运行模块开始自动运行，等待上位机网络模块的握手动作，当上位机软件运行并与下位机握手之后，网络建立，利用网络模块实时传输系统的控制命令与采集信号、监控信息等数据。

当网络建立后，下位机采集模块通过接收上位机的控制信号，实现数据的采集工作。

控制模块实时发送系统的控制命令，控制命令包括采集的开始、停止，系统监控状态，下位机重启，数据存储，程序退出等。

当控制模块设置系统为采集状态时，下位机开始采集数据，数据显示、存储模块通过网络通信模块实时接收到下位机采集的数据，进行显示，通过存储控制开关，选择对环境信号进行监测或者记录的工作状态。

在控制模块设置系统为监控状态时，状态监控模块实时获取下位机的姿态、水深等信息，并进行显示。

具体程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图Fig.4 The flow chart of program

4 结语

海洋环境水下电磁场观测系统，采用虚拟仪器测试技术，基于LabVIEW软件进行程序设计开发，系统功能指标达到了设计要求，并在试验海区内进行了1年左右的海洋环境电磁场的观测，获取了大量的实测数据，为进一步的海洋环境水下电磁场特性研究提供了参考。

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