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行維護,、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、存儲等操作并且結果正確,、可靠,，功能比傳統(tǒng)儀器強大,。

1 虛擬示波器的結構
    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行重力測量時受到當?shù)刂亓χ怠⒏蓴_加速度,、效應,、量測噪聲等因素的影響。在模擬仿真中需要對這些因素進行仿真設計,。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,，只需要設定當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。
    效應造成的重力偏差與載體航向,、航速,、載體所處緯度有關。該值通過計算當前位置的航向,、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轉換模塊完成模擬信號到數(shù)字信號的轉換，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航計算機通信,，實現(xiàn)外界信息的獲取以及相關數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)上電以后,，啟動A／D轉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)處理結果通過串行通信接口上傳到重力輔助導航計算機,，由該計算機完成重力輔助導航的相關解算。系統(tǒng)結構圖如圖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構上采用VelociTI甚長指令(VLIM)結構，由一個超長的機器指令字來驅動內部多個功能單元,。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VLIM內核結構；具有類是RISC的指令值,；片內集成多種集成外設,；內置靈活的PLL索相時鐘電路,；支持IEEE-1149．1(JTAG)邊界掃描接口；內核采用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行高精度的A／D轉換和數(shù)據(jù)采集,，又能實現(xiàn)與定位,、水深設備的對接，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
    通過模擬器設計完成海洋重力數(shù)據(jù)輸出的任務,。在設計中,，本文考慮到在海洋中進行重力采集各種因素，并通過軟件設計將其模擬出來,。重力數(shù)據(jù)采用定時結構產(chǎn)生,，通過D／A卡將其轉換為連續(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定，包括航跡設定,、重力值設定,、海浪設定。完成初始值設定后,，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，首先獲取當前各項信息,，如航向,、航速、當前重力等,。將當前信息傳送給傳感器進行解算,。利用uDAQ 6208A數(shù)／模轉換器將當前解算結果轉換為電壓信號進行輸出。為了對解算結果有直觀印象,，通過數(shù)據(jù)顯示程序將當前結果顯示出來,。程序采用模塊化設計，整個程序設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行設計,，記錄載體經(jīng)過設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,，設計對應的離散化傳感器模型,。為了便于理論分析，程序將會自動保存模擬器輸出數(shù)據(jù),。

3 模擬器實現(xiàn)
    程序采用面向對象的可視化編程語言LabVIEW對重力傳感器模擬器進行開發(fā)設計,。程序設計包括可視化參數(shù)輸入的程序設計、利用傳感器模型進行解算的程序以及模擬量輸出的程序設計,，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,，該電壓值正對應實際海洋重力傳感器經(jīng)過信號轉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,，故在模擬器設計時，需要真實反應實際情況。而這3個參量均是通過航跡線推算得到,。故程序開始時刻,，需要首先設定初始位置、航向和航速,，進行航跡規(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,，航速設定其范圍為4～24 km。
3．2 重力值輸入設定
    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行模擬,。重力變化周期應至少大于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，重力可能沒有變化,。此時,，重力變化周期為∞。設計模擬器時,，輸入重力信號的周期不可能在一個無限變化的范圍,。考慮到輸出曲線的時間范圍,，論文設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,。故在模擬器設計中,，需要完成以上兩個變量的輸入設定。根據(jù)前文分析,，擾動加速度幅值可達有用信號的200多倍,。因此，模擬器設計時,，干擾加速度設定為有用信號的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,，程序設定干擾加速度頻率設定為0．17 Hz,。
3．4 量測噪聲輸入
    海洋中進行重力測量是在強噪聲的背景下進行，故重力儀模擬器的設計需要考慮噪聲的影響,。在模擬器設計中,，需要對干擾噪聲的形式和幅值進行設定。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
    當模擬器解算出當前輸出值后,，通過一定的比例變換,，將其轉換為電壓。實際應用中,，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,，相應的重力值為0～50 mGal。NuDAQ6208A對傳感器輸出信號的轉換在定時程序中完成,。當定時程序開始運行前,，首先完成6208卡的注冊及設定。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,，計算相應的電壓值。其關鍵代碼為：
   
    這樣便完成電壓量的輸出,。當結束定時循環(huán)時,，需要放棄對6208卡的控制，以便其他進程能夠對卡進行操作,。關鍵代碼為：
   
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,、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 結語
    根據(jù)海洋重力儀相關理論，本文利用采用面向對象的可編程語言LabView,，設計了重力儀模擬器,，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,。為了對海洋重力儀輸出信號進行分析和采集,。