基于myDAQ的水下声源定位系统设计
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摘 要：随着国家在海洋方面投入的增加，水声定位的研究吸引了越来越多人的关注。因此全国各大高校、研究所相继投入了大量人力物力财力，各式各样适用于不同环境且精度各有差异的定位算法层出不穷，这在某种程度上填补了我国在水声定位方面的不足。文中基于MATLAB，LabVIEW及myDAQ等辅助工具对基于到达时间差定位（TDOA）算法进行了优化处理以提高定位的可靠性。通过分析仿真结果，文中设计的水声定位系统性能完全可满足设计初衷。
关键词：MATLAB;LabVIEW;myDAQ;TDOA;水声定位;系统仿真
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）06-00-03
0 引 言
在目前注重定位的时代，TOA，AOA，RSSI等定位理论层出不穷。但由于基于TDOA的定位具有定位精度高和复杂性低等优点，因此得到广泛应用。目前TDOA的基本算法主要由Chan算法、Kalman滤波算法、Taylor算法和Fang算法等组成，本项目采用的定位算法为Chan算法和Taylor算法。两种算法各有优缺点，其中Chan算法计算比较简单，无需初始迭代值，在高斯噪声环境下定位结果比较准确[1];Taylor算法能够计算较多的数据，需要迭代初值，但对信道环境适应性较高，在迭代初值接近真实值的情况下能够获得较为准确的定位结果。本项目将TDOA定位技术运用到三维环境当中，以水声信道传播特性为基础，推导出海面反射和直线传播情况下传播路径的距离方程，建立了深海多径环境下TDOA定位的测量值方程，然后通过对TDOA测量值二次最值筛选得到声波直线传播的TDOA测量值，最终计算出声源的大致位置。本项目将通过LabVIEW和MATLAB混合编程的方法实现，利用myDAQ完成水下声源仿真信号的采集。
1 NI myDAQ 简介
1.1 NI myDAQ 设备
DAQ为NI的数据采集，与传统的测量系统相比，基于PC的DAQ系统利用行业标准计算机的处理、生产、显示和连通能力，提供更强大、灵活且具有成本效益的测量解决方案[2]。DAQ通过USB与个人计算机连接，使用LabVIEW编写数据接收处理传输程序，用来测量和分析实际信号。myDAQ通过USB接口将接收到的数据传入计算机中的LabVIEW，使电脑能够分析并处理接收的数据，同时能够控制其进程。
1.2 软件配置
NI公司提供了一款功能丰富的配置工具软件MAX（Measurement&Automation Explorer），其用途如下[3]：
（1）快速检测及配置硬件和软件，分配设备编号;
（2）诊断硬件所处状态;
（3）建立新的通道、任务及接口等。
MAX会根据硬件设备类型的不同显示不同的配置与测试窗口[4]。
1.3 分辨率
分辨率，即采樣数据最低位所代表的模拟量值，表示如下：
分辨率=满量程输入值/2n
式中，n为A/D转换器的位数，位数越多，分辨率越高[5]。
2 定位算法
2.1 常用算法
随着水声定位的发展，算法的精度尤为重要，由此，人们对定位算法的设计方式也不断改进。其中，运用最广的当属到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位。该定位是用多个信号到达待测节点时间差来确定该节点坐标的技术。常见的TDOA算法有最小二乘（Least Square，LS）算法、Taylor级数展开法及查恩（Chan）算法[6]。3种算法各有优缺点：LS算法运算简单快速，求出的却是次优解;Taylor级数展开法需要使用接近实际位置的初始值迭代运算，否则收敛缓慢，甚至会因初始值选择不当导致迭代结果发散，导致无法定位;Chan算法在时间差测量精度较高时定位结果误差较小，当基站位置出现偏差或者时间差测量精度不高时，其定位性能下降较快[7]。通过对两种算法的优劣进行分析比较，衍生出本文主要介绍和应用的算法。
2.2 算法设计
当基站位置出现偏差或者时间差测量精度不高时，Chan算法定位性能下降较快。Taylor算法初始迭代值的设置对定位结果的精度有较大影响，如果初始值选取不合适，可能导致算法不收敛[8]。由此本文提出先通过Chan算法根据测量时间差进行初步定位，将定位结果作为Taylor算法的迭代值进行进一步定位。同时，为减小单次定位可能出现较大误差从而对最终定位结果产生影响，本算法需对TDOA测量值进行多次采集，将每次采集到的信号分别定位，然后对定位结果求和计算均值，最终得出最接近真实声源的坐标。
2.3 程序仿真
图1、图2分别为单独运用Chan算法进行定位的定位场景与误差曲线。图3、图4分别为Chan算法与Taylor算法联合定位的定位场景与误差曲线。其中图1、图3中圆点和方点分别对应于参考基站坐标和其余基站坐标。通过分析发现，Chan算法单独定位结果和Chan算法与Taylor算法联合定位结果在精度上存在明显差异，显然Chan算法与Taylor算法联合定位精度远高于Chan算法单独定位。
3 定位平台搭建
3.1 LabVIEW 软件开发平台
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，使用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序为框图形式[9]。
与传统的文本编程模式不同，LabVIEW采用独特的编程方式，其根据程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序[10]。
LabVIEW具有以下优势：
（1）可以实现除仪器厂商提供的功能以外的功能; （2）与网络、外设及其他应用连接比较方便;
（3）可以通过LabVIEW实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传輸到存储器或打印机[11];
（4）虚拟仪器价格较低，可以节省大量的开发和维护费用。
程序框图如图5所示。
3.2 平台设计
将设计的算法中预留的输入输出端口与LabVIEW对应端口对接，通过LabVIEW设计的界面将TDOA测量值、运行次数、基站数目输入，然后选择对应算法，运行完成后软件显示仿真结果，并通过误差曲线与三维散点图更直观地展示定位精度。使用LabVIEW调用myDAQ组件搭建定位平台，先对DAQ采集到的时间差进行处理，然后再传入另一个DAQ，以此将时间差从一台电脑传输到另一台电脑，最后通过LabVIEW搭建的定位平台对接收的时间差进行定位，构建一个完整的水声接收定位平台。在搭建实物时，将2个DAQ对应的数字输入输出口（DIO）相连接，并分别将2个USB接口连接到2台电脑上完成实物搭建。
前面板界面如图6所示。
4 结 语
运用目前常用的TDOA定位算法及界面编辑与仿真软件完成对水下声源定位系统的设计与开发。通过分析仿真结果，本论文所设计的水声定位仿真系统的性能完全可满足最初的设计要求。
参考文献
[1]陈德章，唐皓，吴季达.基于Chan和Taylor的TDOA协同定位算法研究[J].计算机科学，2011（s1）：406-407.
[2]伍杰，周辰笛.基于LabVIEW和myDAQ的虚拟信号处理仪器设计[J].电子测试，2017（16）：28-30.
[3]黄松岭，王珅，赵伟.虚拟仪器设计教程[M].北京：清华大学出版社，2015.
[4]杨文裕.基于LabVIEW的手机硬件测试工具的设计与实现[D].北京：中国科学院大学，2015.
[5]黄嘉智.基于LabVIEW 的高速数据采集及管理系统设计[D].北京：北京理工大学，2016.
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[7]孔维炯，丁志中，方福柱.基于TDOA的高精度无线定位算法分析与实现[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2019（6）：756-762.
[8]刘林，邓平，范平志.基于Chan算法和Taylor级数展开法的协同定位方法[J].电子与信息学报，2004（1）：41-46.
[9]王浩博，唐晨栋，张宇.基于LabVIEW的室内环境智能监控系统[J].物联网技术，2019，9（9）：12-15.
[10]魏佳红.基于虚拟仪器的中压电力线信道噪声发生器的设计[D].北京：华北电力大学，2015.
[11]龙耀球.基于LabVIEW仿真的温度监控系统设计[D].广州：华南理工大学，2011.
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