LabVIEW和MATLAB在水聲信號處理中的應(yīng)用

摘 要：本文結(jié)合LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺和MATLAB軟件強(qiáng)大的數(shù)值分析功能的優(yōu)點(diǎn)，利用LabVIEW和MATLAB混合編程技術(shù)應(yīng)用于水聲信號處理，該方法既能提供良好的計(jì)算機(jī)用戶圖形界面，又具有很強(qiáng)的水聲信號處理能力，仿真結(jié)果表明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：LabVIEW MATLAB 水聲信號處理 MATLAB Script節(jié)點(diǎn)法

引 言

　　水聲信號處理是海洋及信息處理領(lǐng)域研究最為活躍的學(xué)科之一，它在海洋勘探、水聲定位、水下機(jī)器人等方面應(yīng)用十分廣泛，但是隨著海洋開發(fā)、信息科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，對水聲信號處理的要求越來越高。良好的人機(jī)交互界面、計(jì)算機(jī)圖形化顯示以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析能力，成為目前水聲信號處理領(lǐng)域的研究趨勢。為此，本文利用LabVIEW和MATLAB混合編程技術(shù)應(yīng)用于水聲信號處理，既能提供良好的計(jì)算機(jī)圖形化界面，又具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析能力，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明了該方法的有效性。

1 LabVIEW語言和MATLAB軟件概述

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺）是美國National Instruments公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，是一種非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言，用于快速創(chuàng)建測試、測量和控制應(yīng)用程序。以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和儀器控制功能在現(xiàn)代測控領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：提供各種接口總線和常用儀器的驅(qū)動程序，用戶可將其與測量硬件連接，方便地完成信號數(shù)據(jù)采集、信號分析、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理等許多通常的任務(wù);可以很方便的創(chuàng)造一個交互式的系統(tǒng)控制界面，從而使各種信號的采集和處理開發(fā)更加人性化，因?yàn)槠渫庑魏筒僮骺梢阅M實(shí)際的儀器。雖然LabVIEW 對于一般信號的分析處理比較方便，內(nèi)置了許多用于分析測量數(shù)據(jù)的函數(shù)，能夠勝任大多數(shù)測量任務(wù)，但是其本身也存在不足，如不能完全提供用戶所需要的驅(qū)動程序和調(diào)用系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)底層操作，不擅長于完成大量數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。因此對于一些虛擬儀器中需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的復(fù)雜應(yīng)用，僅僅用LabVIEW就顯得有些力不從心。

　　MATLAB軟件為幾乎所有的工程計(jì)算領(lǐng)域提供了準(zhǔn)確、高效的多種功能的工具箱，在信號和圖像處理等領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢。它針對許多領(lǐng)域開發(fā)了模塊：如信號處理、數(shù)據(jù)庫接口、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、圖像處理等。MATLAB以其強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫、編程效率高等特點(diǎn)已成為數(shù)學(xué)計(jì)算工具方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

　　因此結(jié)合上述兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以通過LabVIEW程序接口函數(shù)來調(diào)用其它各種應(yīng)用程序和MATLAB軟件中強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件包，這樣結(jié)合可以使軟件平臺具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，對于單獨(dú)運(yùn)用MALTLAB和虛擬儀器進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理所解決不了的問題就迎刃而解了。

2 LabVIEW和MATLAB混合編程在水聲信號處理中的應(yīng)用

　　本文主要研究LabVIEW和MATLAB混合編程技術(shù)應(yīng)用于水聲信號提取，通過對雜波等背景噪聲的消除來達(dá)到特征信號提取的目的。

　　2.1 LabVIEW和MATLAB混合編程設(shè)計(jì)

　　利用LabVIEW 內(nèi)置的許多用于分析測量數(shù)據(jù)的函數(shù)對信號進(jìn)行一般的分析處理。如圖1所示為用LabVIEW7.1編寫好的包括巴特沃斯、切比雪夫、橢圓濾波器的程序框圖。

　　在水聲信號的處理技術(shù)中，因水下環(huán)境的復(fù)雜性，目標(biāo)信息往往淹沒在各種各樣的干擾背景中。僅僅用LabVIEW語言編程處理達(dá)不到很好的效果，但是LabVIEW可以通過其程序接口函數(shù)來調(diào)用其它的各種應(yīng)用程序和軟件，在LabVIEW中調(diào)用MATLAB下編好的小波消噪程序。其中，調(diào)用方式有好幾種，可以使用DLL、ActiveX、MATLAB Script節(jié)點(diǎn)法等，這里用MATLAB Script節(jié)點(diǎn)法，因?yàn)槭褂肕ATLAB Script節(jié)點(diǎn)法快捷方便，該方法具有多輸入、多輸出的特點(diǎn)，一次處理的信息量可以很大。而且MATLAB程序可以直接輸入節(jié)點(diǎn)中，也可以先在MATLAB下調(diào)試，無誤后再導(dǎo)入到MATLAB Script節(jié)點(diǎn)中。

　　LabVIEW7.1提供的MATLAB Script節(jié)點(diǎn)通過選擇All Functions >>Analyze >>Mathematics >>Formula >>MATLAB Script,就將該節(jié)點(diǎn)添加到流程圖中。先添加輸入變量xx和x,變量類型分別為RealVector和Real,添加輸出變量xd,變量類型為RealVector，然后將MATLAB小波工具箱中的函數(shù)WDEN（）寫入節(jié)點(diǎn)內(nèi),該函數(shù)可直接對一維信號進(jìn)行噪聲消除,其調(diào)用格式為[XD,CXD,LXD]=WDEN（X,TPTR,SORH,SCAL,N,‘wname’）,其中N為小波分解的層數(shù),這里設(shè)置為8。wname指定分解時所用的小波。運(yùn)行LabVIEW執(zhí)行該節(jié)點(diǎn)，則同時啟動一個MATLAB進(jìn)程。

　　2.2 處理實(shí)例

　　圖2和圖3為通過MATLAB Script節(jié)點(diǎn)調(diào)用MATLAB程序的前面板和程序處理界面圖。MATLAB Script節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是通過ActiveX控件與MATLAB Server進(jìn)行通信的.調(diào)用MATLAB函數(shù)或命令,實(shí)質(zhì)是將MATLAB當(dāng)作一個ActiveX服務(wù)器并建立ActiveX通道,然后將這個函數(shù)或命令通過ActiveX通道發(fā)給MATLAB,由MATLAB在后臺執(zhí)行,所以在計(jì)算機(jī)中必須安裝有MATLAB。

　　但是，這里有兩點(diǎn)值得注意的是：①M(fèi)ATLAB Script節(jié)點(diǎn)對輸入、輸出數(shù)據(jù)的類型有明確的要求。LabVIEW和MATLAB之間的數(shù)據(jù)通信僅支持Real、RealVector、RealMatrix、Complex、VectorComplex、Matrix六種格式的數(shù)據(jù)，且必須根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。只有LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型與MATLAB中的數(shù)據(jù)型相匹配，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。②用該方法實(shí)現(xiàn)LabVIEW與MATLAB的混合編程的缺點(diǎn)是沒有脫離MATLAB的環(huán)境,而只是將它在后臺執(zhí)行。

結(jié) 論

　　LabVIEW是當(dāng)今運(yùn)用非常廣泛的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，MATLAB則是具有強(qiáng)大數(shù)值分析功能的計(jì)算機(jī)語言，本文揚(yáng)長避短地將LabVIEW和MATLAB混合編程技術(shù)應(yīng)用于水聲信號處理，以達(dá)到更好的處理效果。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：本文研究LabVIEW和MATLAB混合編程技術(shù)，并將其應(yīng)用于水聲信號處理中，編程達(dá)到了好的處理效果。

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