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。