模擬海洋聲波研究中使用的高精度PCIe測(cè)試卡

美國(guó)楊百翰大學(xué)物理與天文系的聲學(xué)研究小組將Spectrum儀器領(lǐng)先的數(shù)字化儀與信號(hào)發(fā)生器作為其全新水下聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室核心。新實(shí)驗(yàn)室對(duì)聲波如何在水中傳播方面的研究可謂是一大進(jìn)步，這得益于其模擬出了一個(gè)微縮版的海洋環(huán)境。該實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)β暡ㄔ诓煌畬又械男袨橐约八鼈內(nèi)绾卧趲r石、沙子或泥漿等海洋中最多樣化的地面材料中反射進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)。這種小型化實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量設(shè)備的精度要求極高，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果隨后會(huì)按比例放大，以表明在真實(shí)世界中的效果。

圖1 水箱中有兩條機(jī)械臂,用來(lái)放置發(fā)射器和接收器

新型實(shí)驗(yàn)室的水箱是一個(gè)長(zhǎng)3.6米和寬1.2米的長(zhǎng)方體，最高水深0.91米。這項(xiàng)研究使用了水聽(tīng)器來(lái)接收Spectrum公司M2p.6546-x4型號(hào)任意波形發(fā)生器所發(fā)出的信號(hào)或啁啾聲信號(hào)。這種PC卡能生成24V輸出擺幅的信號(hào)，隨后在被水聽(tīng)器傳播之前被放大。通過(guò)水箱后，信號(hào)被另一個(gè)水聽(tīng)器檢測(cè)到并由Spectrum M2p.5932-x4進(jìn)行處理。發(fā)射器和接收器分別由機(jī)械臂控制，使其能夠快速在水中適應(yīng)并進(jìn)行定位，以便根據(jù)需要對(duì)源頭和接收器進(jìn)行定位。

圖2 一個(gè)機(jī)械臂的機(jī)制

水箱便于對(duì)聲波觸及海底反彈后受到的影響進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。與沙子、泥土或不同的材料層相比，純巖石的底部會(huì)產(chǎn)生不同的效果。負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的Traci nielsen博士解釋道：“因?yàn)樗皇蔷鶆虻?，致使這項(xiàng)研究變得更為復(fù)雜。溫度和鹽度的變化會(huì)改變聲速，最終導(dǎo)致聲波發(fā)生彎曲，這就如同海市蜃樓一樣。我們計(jì)劃研究水溫變化對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)定位聲源的影響。這些水箱研究比在海洋里做實(shí)驗(yàn)更具重復(fù)性、效率和成本效益，并將使我們能夠研發(fā)出用于海洋數(shù)據(jù)測(cè)量的技術(shù)?！?/p>

圖3 兩個(gè)灰色的PCIe機(jī)箱位于控制臺(tái)中間

負(fù)責(zé)采集軟件的博士生Adam Kingsley表示:“Spectrum儀器公司的產(chǎn)品完全符合我們對(duì)精度和同步性的高要求，這也是我們選擇與其合作的重要原因。這個(gè)水箱實(shí)際上是一個(gè)巨大水域的縮小版，等比放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，時(shí)間的精準(zhǔn)度對(duì)于測(cè)試結(jié)果至關(guān)重要?！?/p>

這對(duì)Spectrum儀器的 PCIe卡被安裝在主控臺(tái)外部的PCIe機(jī)箱中，通過(guò)Spectrum的Star-Hub模塊進(jìn)行精準(zhǔn)同步。在機(jī)箱中備有另外一對(duì)相同的卡，可由第一個(gè)機(jī)箱觸發(fā)進(jìn)入操作。這個(gè)規(guī)?；瘜?shí)驗(yàn)需要在千赫茲范圍內(nèi)使用更高的頻率，比在海洋中使用的頻率高得多。數(shù)字化儀和AWG卡具有16位的高分辨率，甚至可以分別以40MS/s的速率進(jìn)行采樣和輸出，而通道之間的偏移小于100皮秒。這為實(shí)驗(yàn)提供了極高的精準(zhǔn)度。兩個(gè)UR10e機(jī)器人手臂以及信號(hào)生成和數(shù)據(jù)采集，均由一個(gè)定制的LabVIEW軟件程序控制。該程序由Adam Kingsley創(chuàng)建，被稱為“Easy Spectrum Acoustics Underwater”(ESAU)。

該實(shí)驗(yàn)裝置的一個(gè)關(guān)鍵部分是模擬開(kāi)闊的海洋，因此Precision Acoustics公司在水箱兩側(cè)安裝了特殊的消聲板來(lái)減少反射。美國(guó)楊百翰大學(xué)物理與天文系研究實(shí)驗(yàn)室主管John Ellsworth設(shè)計(jì)了一個(gè)過(guò)濾和循環(huán)泵，這可謂是一個(gè)重大的創(chuàng)新。這種泵可以保持水的清潔，也不會(huì)在水箱中產(chǎn)生氣泡，而氣泡正是噪音的重要來(lái)源。準(zhǔn)備就緒后即可測(cè)量脈沖響應(yīng)，這更容易在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)消除讀書(shū)中的噪聲。Spectrum儀器精準(zhǔn)的PC卡信噪比(SNR)高于71 dB，這也保證了脈沖響應(yīng)消除能給出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 ESAU軟件便于用戶實(shí)現(xiàn)與Spectrum卡和機(jī)械臂之間的通信

Neilsen博士補(bǔ)充道:“建立新實(shí)驗(yàn)室的初衷是方便研究專業(yè)的學(xué)生在校期間能夠設(shè)計(jì)并運(yùn)行其實(shí)驗(yàn)。Cameron Vongsawad是我的首個(gè)在讀研究生，他與我仔細(xì)考慮了購(gòu)買什么設(shè)備，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室將長(zhǎng)久投入使用，因此功能強(qiáng)大和易于使用對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常重要。與許多其他實(shí)驗(yàn)室一樣，我們也很看重Spectrum儀器公司提供的獨(dú)家五年質(zhì)保服務(wù)，這也為我們的長(zhǎng)久合作奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

圖5 Spectrum儀器M2p.5932-x4數(shù)字化儀卡與M2p.6546-x4生成器卡

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年，迄今為止設(shè)計(jì)和研發(fā)了多款模塊化數(shù)字化儀及發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨(dú)立以太網(wǎng)設(shè)備（LXI）。在過(guò)去30年間，Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，旗下產(chǎn)品也被用于行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)及一流大學(xué)的眾多產(chǎn)品和科研項(xiàng)目中。Spectrum儀器總部位于德國(guó)漢堡附近的格羅斯?jié)h斯多爾夫，憑借卓越的技術(shù)能力和優(yōu)質(zhì)的客戶服務(wù)享譽(yù)全球。