DSP在水聲領(lǐng)域中應(yīng)用的研究進(jìn)展

1水聲信號(hào)處理簡(jiǎn)介及其發(fā)展概況

水聲信號(hào)處理是指由于海洋中存在著噪聲和混響干擾,要提高聲吶探測(cè)作用距離,就必須提高從干擾背景中檢測(cè)信號(hào)的能力,這樣在水聲學(xué)中就出現(xiàn)了水聲信號(hào)處理?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用統(tǒng)計(jì)決策論、信息論等理論以及各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)發(fā)射和接收信號(hào)進(jìn)行技術(shù)處理,從而達(dá)到提高水聲通信質(zhì)量、可靠性及保密性的目的。

聲吶設(shè)備作為現(xiàn)代艦船探測(cè)水下目標(biāo)的重要手段,在軍用和民用等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。水聲信號(hào)處理技術(shù)從20世紀(jì)80年代進(jìn)入快速發(fā)展階段,按照更切合實(shí)際的畸變水聲信道模型進(jìn)行匹配處理,并探討將匹配場(chǎng)技術(shù)用于水聲定位,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論用于目標(biāo)識(shí)別,在時(shí)間處理中利用高階矩信息等。信號(hào)處理系統(tǒng)逐漸從硬件為主過(guò)渡到軟件為主,從分別實(shí)現(xiàn)的分系統(tǒng)發(fā)展為由計(jì)算機(jī)控制的綜合系統(tǒng)。

2數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理是將通信信號(hào)以數(shù)字方式進(jìn)行表示以及處理的理論和技術(shù),一般采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP,digitalSignalproceSSor)進(jìn)行模擬信號(hào)處理。DSP是專門用于某些數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)的微處理器,一般由集成電路芯片構(gòu)成。隨著世界科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,集成電路技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理算法得到了極大的發(fā)展,DSP正向著高集成度和高計(jì)算性能方向發(fā)展,在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前,水聲領(lǐng)域中聲吶探測(cè)設(shè)備正逐漸向大運(yùn)算量、強(qiáng)實(shí)時(shí)性及小型化等方向發(fā)展,對(duì)高計(jì)算性能、高集成度DSP的需求日益提高?；诖?國(guó)內(nèi)很多研究者對(duì)DSP在水聲領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。

3DSP在我國(guó)水聲領(lǐng)域中應(yīng)用的研究進(jìn)展

實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理是聲吶系統(tǒng)中的重要組成部分,通過(guò)對(duì)水聲信號(hào)的分析處理完成對(duì)目標(biāo)的搜尋和測(cè)量。處理過(guò)程不僅計(jì)算任務(wù)繁重,I/o數(shù)據(jù)率高,而且數(shù)據(jù)流分支較多,給設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定困難。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王昆等[2]介紹了用DSP處理器陣列進(jìn)行水聲信號(hào)實(shí)時(shí)數(shù)字處理的實(shí)現(xiàn)方案,并著重介紹了其中的流水線并行處理。

海軍工程大學(xué)劉千里等[3]根據(jù)波束形成的技術(shù)要求和信號(hào)處理任務(wù),設(shè)計(jì)并確定了波束形成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)的硬件是以DSP和CPLD為核心,DSP主要用于數(shù)學(xué)運(yùn)算。該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展、易于構(gòu)成并行系統(tǒng)的特點(diǎn),方便實(shí)現(xiàn)各種波束形成算法。

西安精密機(jī)械研究所水下信息處理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王海陸等[4]闡述了基于ADSPTS101S的聲吶數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。首先詳細(xì)介紹了所設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的硬件電路結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)大的處理能力,然后敘述了程序設(shè)計(jì)流程及主控軟件設(shè)計(jì)流程。該數(shù)字信號(hào)處理機(jī)采用3片ADSPTS101S,其通信采用鏈路口互聯(lián)方式,大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。此外,其工作模式和系統(tǒng)參數(shù)可以通過(guò)主控計(jì)算機(jī)設(shè)置,方便用戶使用。消聲水池試驗(yàn)結(jié)果表明,該DSP設(shè)備能夠滿足聲吶信號(hào)的處理需求。

為了測(cè)量聲吶發(fā)射有效電功率,大連大學(xué)李澤光設(shè)計(jì)了聲吶發(fā)射有效電功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算算法及數(shù)據(jù)運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該測(cè)試系統(tǒng)能夠很好地完成聲吶發(fā)射有效電功率的測(cè)量。

傳統(tǒng)的聲吶設(shè)計(jì),采用專用硬件配以專用軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)處理,開發(fā)周期長(zhǎng),可靠性、可維修性較低,利用通用信號(hào)處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字聲吶設(shè)計(jì)是今后的一種發(fā)展方向。中國(guó)海洋開發(fā)研究中心欒經(jīng)德等提出了一種新型數(shù)字聲吶的仿真設(shè)計(jì)方法。研究者利用通用信號(hào)處理平臺(tái),按照50%冗余設(shè)計(jì),完成了48路圓柱型基陣主動(dòng)聲吶的實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)。通過(guò)該仿真設(shè)計(jì)實(shí)例,說(shuō)明數(shù)字聲吶可以方便地采用通用信號(hào)處理平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

聲吶陣元域仿真可用于聲吶裝備性能測(cè)試、模擬訓(xùn)練與作戰(zhàn)效能研究等。針對(duì)仿真系統(tǒng)的開放性需求,海軍工程大學(xué)王希敏等搭建了DSP并行處理系統(tǒng)來(lái)完成聲吶陣元域信號(hào)仿真。研究者采用了時(shí)延隱藏方式對(duì)DSP間的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行了設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明,這些設(shè)計(jì)滿足了實(shí)時(shí)性能和通用性能的要求。

針對(duì)水聲對(duì)抗中單收多發(fā)尺度目標(biāo)模擬器模擬回波與真實(shí)潛艇回波存在著較大差異,昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心趙俊杰介紹了一種基于DSP的多點(diǎn)實(shí)時(shí)收發(fā)尺度目標(biāo)模擬器的實(shí)現(xiàn)方法,采用多點(diǎn)收發(fā)方式,多通道信號(hào)并行實(shí)時(shí)檢測(cè)處理,改善了上述存在差異的程度。

針對(duì)單一圖像識(shí)別系統(tǒng)和單一聲吶識(shí)別系統(tǒng)對(duì)事物特征值數(shù)據(jù)量采集的不足造成識(shí)別誤差這一缺陷,南京理工大學(xué)王茂森等從仿生學(xué)中蝙蝠眼睛依舊存在的角度考慮設(shè)計(jì)了一種基于FPGA+DSP的聲吶圖像傳感融合系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA發(fā)射聲吶信號(hào)與采集回波,并將預(yù)處理的回波數(shù)據(jù)傳給DSP做進(jìn)一步處理:采用CCD攝像頭仿蝙蝠的眼睛采集圖像數(shù)據(jù),最后將采集到的聲吶數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)在DSP中進(jìn)行進(jìn)一步的算法處理,最終輸出人耳能夠識(shí)別的信號(hào),借助于人腦參與分析識(shí)別,并對(duì)前方探測(cè)物做出規(guī)避動(dòng)作。

針對(duì)多核并行機(jī)制下,共享資源爭(zhēng)奪激烈,硬件能力提升難以切實(shí)轉(zhuǎn)變成程序效率提高的難題,杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所聲吶技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汲夏等通過(guò)協(xié)調(diào)存儲(chǔ)器訪存和核間同步等關(guān)鍵問(wèn)題,研究了一種基于C6678多核DSP的聲吶信號(hào)多級(jí)并行處理方法,包括核間流水線設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸與中央處理器并行設(shè)計(jì)和指令流線設(shè)計(jì)。以聲吶二維相控方位濾波為例,介紹各級(jí)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法,逐個(gè)測(cè)試并行性能,并編制實(shí)時(shí)處理軟件。測(cè)試結(jié)果表明,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)器訪問(wèn)和中央處理器運(yùn)算并行,極大地提高程序執(zhí)行效率。通過(guò)采用該方法開發(fā)的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng),具有集成度高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),獲得了高航速下海中浮球和配重條石清晰的實(shí)時(shí)成像效果,具有工程應(yīng)用價(jià)值。

海上實(shí)驗(yàn)專用聲學(xué)浮標(biāo)是指布放于海上,具有水聲通信、測(cè)量、定位等一種或多種功能的浮標(biāo)體,由于其在水聲測(cè)量方面的簡(jiǎn)便性,在海上實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。91388部隊(duì)丁翠環(huán)等利用現(xiàn)代電子技術(shù),對(duì)實(shí)驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)的DSP、FPGA進(jìn)行重新編程和配置,使其在現(xiàn)場(chǎng)功能可變,使聲學(xué)浮標(biāo)由單一功能到可以兼顧多種功能,可以減少浮標(biāo)數(shù)量,放置、使用方便,從總體的角度對(duì)浮標(biāo)的多功能設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了全面的論述。

在信息技術(shù)日益成熟的今天,無(wú)人平臺(tái)在軍事和民用領(lǐng)域都扮演著越來(lái)越重要的角色。水下無(wú)人航行器探測(cè)已經(jīng)成為水聲領(lǐng)域重要的前沿研究方向,高速運(yùn)算處理能力更是整個(gè)系統(tǒng)的核心。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所任宇飛等以多核DSP作為處理核心,提出了一個(gè)水下無(wú)人平臺(tái)探測(cè)聲吶架構(gòu)。他們首先對(duì)多核DSP性能做了基本介紹,并以幾種基本運(yùn)算和經(jīng)典波束形成算法作為例子進(jìn)行了說(shuō)明,通過(guò)性能測(cè)試證明了這一架構(gòu)適用于水下無(wú)人平臺(tái)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理。這一多核DSP架構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用在水聲領(lǐng)域中具有一定實(shí)用價(jià)值。

中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站石靖鵬等在TI公司OMAP-L137雙核平臺(tái)的基礎(chǔ)上,對(duì)嵌入式聲學(xué)多普勒測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)測(cè)流精度和性能進(jìn)行了驗(yàn)證。他們先通過(guò)中頻正交采樣構(gòu)建回波復(fù)包絡(luò)信號(hào),再采用復(fù)相關(guān)算法檢測(cè)信號(hào)的頻移進(jìn)行流速測(cè)量,并對(duì)算法進(jìn)行了研究和原理分析。OMAP中的DSP核主要負(fù)責(zé)回波處理,系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理等。結(jié)合仿真測(cè)試,并通過(guò)某湖水下實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了精度和性能驗(yàn)證,獲得了良好的測(cè)流效果,并且系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo),對(duì)于嵌入式平臺(tái)水聲設(shè)備的研制有一定的參考價(jià)值。

4結(jié)論及展望

綜上所述,DSP在水聲領(lǐng)域內(nèi)探雷、導(dǎo)航、航道測(cè)量、制導(dǎo)、引信、水下定位以及海底地質(zhì)測(cè)量等方面大有可為。高計(jì)算性能、高集成度DSP芯片的研究、開發(fā)及應(yīng)用,將在水聲信號(hào)處理方面對(duì)我國(guó)的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。