重力儀是用于測量重力的專業(yè)儀器，傳統(tǒng)的重力儀外型笨重、功能單一，數(shù)字重力儀雖然有一定的功能擴展，但價格昂貴，而且這些儀器加工工藝復(fù)雜、對制造水平要求很高，生產(chǎn)突破有困難。虛擬儀器的出現(xiàn)改變了這一局面，虛擬重力利用計算機系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理能力，利用軟件完成數(shù)據(jù)的采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測試結(jié)果的顯示等，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲等的限制，使用戶可以方便地對儀器進(jìn)行維護(hù)、擴展和升級，而且虛擬重力儀比傳統(tǒng)重力儀節(jié)約了許多成本，具有很高的性價比。本文介紹虛擬重力儀的設(shè)計，用圖形化編程語言LabVIEW實現(xiàn)虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集、波形顯示、數(shù)字濾波、參數(shù)測量、頻譜分析、功率譜分析以及數(shù)據(jù)存儲和回放等功能。實驗證明，該虛擬重力儀可以實現(xiàn)對采樣信號的顯示、分析、存儲等操作并且結(jié)果正確、可靠，功能比傳統(tǒng)儀器強大。
1 虛擬示波器的結(jié)構(gòu)
根據(jù)實際重力儀傳感器的特點，以及動基座下重力儀工作的特點，設(shè)計了重力儀模擬器，用于模擬運動基座下重力儀的測量輸出。
重力儀模擬器的框圖如圖1所示。
從框圖上可以看出，動基座下海洋重力儀進(jìn)行重力測量時受到當(dāng)?shù)刂亓χ?、干擾加速度、效應(yīng)、量測噪聲等因素的影響。在模擬仿真中需要對這些因素進(jìn)行仿真設(shè)計。模擬器運行時，首先需要規(guī)劃載體航跡和重力值。在航跡規(guī)劃中，設(shè)定每段路程航向、航速、經(jīng)歷的時間。規(guī)定完載體運動航跡后，便可得到每一點的正常重力值。由于海洋重力儀傳感器采用相對重力測量法進(jìn)行重力測量，其敏感量為實測點重力值與重力基點重力的差值。因此，重力圖生成中，只需要設(shè)定當(dāng)前重力與初始點位置的重力差，即重力輸入信號取△g=g-g0。海洋中進(jìn)行重力測量不可避免受到海浪、載體運動等造成的干擾加速度的影響。根據(jù)分析，干擾垂直加速度具有似周期性的特點，并且與重力加速度的頻率和幅值有明顯的差異。因此在模擬器中，垂直方向上干擾加速度可以寫為：R=R0sinωt。R0為輸入干擾加速度的幅值，ω為干擾加速度的角頻率。
效應(yīng)造成的重力偏差與載體航向、航速、載體所處緯度有關(guān)。該值通過計算當(dāng)前位置的航向、航速和緯度求得。實時處理系統(tǒng)的硬件主要包括數(shù)字信號處理器及其外圍電路、A／D轉(zhuǎn)換模塊、串行通信接口模塊等。其中，微處理器模塊控制系統(tǒng)的運行，完成數(shù)據(jù)的處理。 A／D轉(zhuǎn)換模塊完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)重力信號的采集。串口通信模塊主要完成微處理器與導(dǎo)航計算機通信，實現(xiàn)外界信息的獲取以及相關(guān)數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)上電以后，啟動A／D轉(zhuǎn)換采集重力儀的輸出信號，并同時接收精確定位數(shù)據(jù)信息和水深信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件將對采集到的重力儀信號進(jìn)行干擾加速度影響消除，重力儀自身誤差改正，最后根據(jù)定位數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)對濾波后的重力信息進(jìn)行改正，如
改正和吃水改正。其中，
改正需要和重力信號采集相互匹配，從而獲取實時重力數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過串行通信接口上傳到重力輔助導(dǎo)航計算機，由該計算機完成重力輔助導(dǎo)航的相關(guān)解算。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
系統(tǒng)的數(shù)字信號處理器選用TMS320VC6713，該DSP是目前性價比最高的浮點處理器之一，適合于數(shù)據(jù)的高速處理。它是迄今為止TI公司推出的最快浮點處理器。TI公司6000系列的DSP最主要的特點是體系結(jié)構(gòu)上采用VelociTI甚長指令(VLIM)結(jié)構(gòu)，由一個超長的機器指令字來驅(qū)動內(nèi)部多個功能單元。每個指令字包含多個字段(指令)，字段之間相互獨立，各自控制一個功能單元，因此可以單周期發(fā)射多條指令，實現(xiàn)很高的指令級并行效率。此外還具有以下特點：16位／3z位／64位高性能外部存儲器接口(EMIF)提供了與SDRAM、SBSRAM和SRAM等同步／異步存儲器直接接口；具有VelociTI先進(jìn)VLIM內(nèi)核結(jié)構(gòu)；具有類是RISC的指令值；片內(nèi)集成多種集成外設(shè)；內(nèi)置靈活的PLL索相時鐘電路；支持IEEE-1149．1(JTAG)邊界掃描接口；內(nèi)核采用1．2 V／1．5 V／1．8 V供電，周圍I／O采用3．3 V供電；0．12～0．18μm CMOSZ工藝，5／6層金屬處理；BGA球柵陣列封裝。
根據(jù)海洋重力測量數(shù)據(jù)處理方法，在對某點重力觀測值進(jìn)行處理，得到該點實際重力值的過程中，需已知觀測點的位置、水深以及載體的速度、航向等信息。因此，系統(tǒng)首先要實現(xiàn)既能對重力儀信號進(jìn)行高精度的A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，又能實現(xiàn)與定位、水深設(shè)備的對接，即實現(xiàn)重力數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)及水深數(shù)據(jù)的同步采集。其次，同步采集的重力測量數(shù)據(jù)要經(jīng)過低通數(shù)字濾波、重力修正等方法的處理才能得到比較精確的重力值，這就要求系統(tǒng)同時具有較好的在線處理速度。
2 模擬器軟件流程
通過模擬器設(shè)計完成海洋重力數(shù)據(jù)輸出的任務(wù)。在設(shè)計中，本文考慮到在海洋中進(jìn)行重力采集各種因素，并通過軟件設(shè)計將其模擬出來。重力數(shù)據(jù)采用定時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，通過D／A卡將其轉(zhuǎn)換為連續(xù)電壓輸出信號。其軟件流程圖如圖3所示。
程序開始運行時，首先完成各項初始值設(shè)定，包括航跡設(shè)定、重力值設(shè)定、海浪設(shè)定。完成初始值設(shè)定后，開啟定時程序，利用定時中斷推動后續(xù)工作的完成。定時程序中，首先獲取當(dāng)前各項信息，如航向、航速、當(dāng)前重力等。將當(dāng)前信息傳送給傳感器進(jìn)行解算。利用uDAQ 6208A數(shù)／模轉(zhuǎn)換器將當(dāng)前解算結(jié)果轉(zhuǎn)換為電壓信號進(jìn)行輸出。為了對解算結(jié)果有直觀印象，通過數(shù)據(jù)顯示程序?qū)?dāng)前結(jié)果顯示出來。程序采用模塊化設(shè)計，整個程序設(shè)計成重力儀輸入模塊、航跡模塊、重力儀模塊。重力儀輸入模塊完成有用重力信號輸入、干擾加速度信號輸入、量測噪聲輸入和信號輸入。航跡模塊則主要對載體運動過程進(jìn)行設(shè)計，記錄載體經(jīng)過設(shè)定路線每一點時的時間、位置、速度。重力儀模塊則主要完成重力儀傳感器數(shù)字化設(shè)計。根據(jù)不同條件下連續(xù)系統(tǒng)的重力儀傳感器模型，設(shè)計對應(yīng)的離散化傳感器模型。為了便于理論分析，程序?qū)詣颖４婺M器輸出數(shù)據(jù)。
3 模擬器實現(xiàn)
程序采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言LabVIEW對重力傳感器模擬器進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。程序設(shè)計包括可視化參數(shù)輸入的程序設(shè)計、利用傳感器模型進(jìn)行解算的程序以及模擬量輸出的程序設(shè)計，通過點擊按鈕彈出的對話框輸入各種傳感器的輸入?yún)?shù)，在圖形顯示區(qū)實時輸出模擬器的輸出電壓值曲線。在主界面上通過點擊各個按鈕，可以彈出各個輸入?yún)?shù)的界面，在圖形顯示區(qū)，實時顯示出模擬器所輸出的電壓值，該電壓值正對應(yīng)實際海洋重力傳感器經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換和放大后的模擬信號。海洋重力傳感器模擬器主要包括以下幾個方面的參數(shù)輸入。
3．1 航跡輸入
的數(shù)值只與重力測量載體的航速、航向和測地點緯度有關(guān)，故在模擬器設(shè)計時，需要真實反應(yīng)實際情況。而這3個參量均是通過航跡線推算得到。故程序開始時刻，需要首先設(shè)定初始位置、航向和航速，進(jìn)行航跡規(guī)劃。然后計算
值大小，并將該值加入傳感器的輸入信號中。航向角按照北偏東格式定義。如果輸入45，則代表航向角為北偏東45°。根據(jù)一般水下航行器的速度，航速設(shè)定其范圍為4～24 km。
3．2 重力值輸入設(shè)定
由于海洋重力測量都屬于相對重力測量范疇，重力儀所測量的是測地點和重力基點之間的差值，故在給定重力儀的輸入量時，應(yīng)給出重力基點值g0和測點實際重力值g，程序根據(jù)二者解得重力儀所能敏感的重力差值。在模擬器中，二者之間的差值選用正弦波進(jìn)行模擬。重力變化周期應(yīng)至少大于120 s(實際地球重力異常周期一般均大于120 s)。一定區(qū)域內(nèi)，重力可能沒有變化。此時，重力變化周期為∞。設(shè)計模擬器時，輸入重力信號的周期不可能在一個無限變化的范圍?？紤]到輸出曲線的時間范圍，論文設(shè)定重力變化值輸入周期為120～1000s。
3．3 擾動加速度輸入
由于載體垂直方向周期性附加加速度可以用下式表示：
式中：R0為垂直附加加速度；ω為垂直附加加速度的角頻率。故在模擬器設(shè)計中，需要完成以上兩個變量的輸入設(shè)定。根據(jù)前文分析，擾動加速度幅值可達(dá)有用信號的200多倍。因此，模擬器設(shè)計時，干擾加速度設(shè)定為有用信號的100倍。而垂直方向附加加速度的周期一般為5～10 s，其中以6 s左右為最多。因此，程序設(shè)定干擾加速度頻率設(shè)定為0．17 Hz。
3．4 量測噪聲輸入
海洋中進(jìn)行重力測量是在強噪聲的背景下進(jìn)行，故重力儀模擬器的設(shè)計需要考慮噪聲的影響。在模擬器設(shè)計中，需要對干擾噪聲的形式和幅值進(jìn)行設(shè)定。此值也將加入到傳感器輸入中。噪聲的形式為高斯白噪聲，幅值為1。
3．5 模擬器輸出
當(dāng)模擬器解算出當(dāng)前輸出值后，通過一定的比例變換，將其轉(zhuǎn)換為電壓。實際應(yīng)用中，后續(xù)A／D電路的輸入電壓范圍0～5V。因此，Nu-DAQ6208A最終輸出電壓的范圍為0～5 V，相應(yīng)的重力值為0～50 mGal。NuDAQ6208A對傳感器輸出信號的轉(zhuǎn)換在定時程序中完成。當(dāng)定時程序開始運行前，首先完成6208卡的注冊及設(shè)定。程序如下：
定時程序中，根據(jù)每次計算得到的重力儀輸出值，計算相應(yīng)的電壓值。其關(guān)鍵代碼為：
這樣便完成電壓量的輸出。當(dāng)結(jié)束定時循環(huán)時，需要放棄對6208卡的控制，以便其他進(jìn)程能夠?qū)ㄟM(jìn)行操作。關(guān)鍵代碼為：
3．6 程序主界面及電壓輸出
模擬器主界面如圖4所示。
當(dāng)只有正弦信號輸入模擬器時，模擬信號輸出區(qū)的圖形顯示理論上模擬器輸出電壓。此時，通過測量6208卡的輸出，得到實際電壓輸出的波形如圖5所示。從圖5可以看出，6208卡輸出電壓與理論輸出電壓相符合，但噪聲影響比較大。
4 程序運行結(jié)果及分析
不同的輸入下，模擬器輸出不相同。在重力信號、效應(yīng)、干擾加速度、量測噪聲等單獨作用下，根據(jù)自動保存的數(shù)據(jù)值，模擬器的輸出曲線如圖6～圖9所示。
在三者共同作用，并且輸出疊加量測噪聲情況下，模擬器的輸出曲線如圖10所示。
5 結(jié)語
根據(jù)海洋重力儀相關(guān)理論，本文利用采用面向?qū)ο蟮目删幊陶Z言LabView，設(shè)計了重力儀模擬器，模擬海洋重力儀工作的工作過程，給出不同狀態(tài)下的海洋重力儀的響應(yīng)。為了對海洋重力儀輸出信號進(jìn)行分析和采集。