一種基于分層級連DSP陣列技術(shù)的電子浮標設(shè)計

摘要：提出了一種基于DSP技術(shù)、GPS技術(shù)和無線通訊技術(shù)的電子浮標設(shè)計方案。介紹了浮標的組成和工作原理，重點分析了DSP處理器的應(yīng)用和信號級連處理算法。
關(guān)鍵詞：DSP GPS 電子浮標 無線通訊

和其他水下目標探測裝備（如艇殼聲納、拖線陣聲納等）相比，電子浮標由于沒有本艦噪聲的影響，對水下目標的探測靈敏度高；此外它可通過飛機布放和回收，具有搜索面積大、偵察效率高、使用方便等優(yōu)點，已成為偵察、反潛領(lǐng)域的重要裝備。而將多個浮標組成網(wǎng)絡(luò)，就可對大范圍海域進行監(jiān)視。目前，作為數(shù)字化海洋的重要組成部分，電子浮標已成 世界海洋國家不惜巨資進行開發(fā)的水下目標監(jiān)測裝備。

本文介紹了一種基于分層級連DSP陣列技術(shù)的電子浮標設(shè)計方案，該方案通過微弱信號檢測技術(shù)來提取水下目標的聲信號；通過差分GPS技術(shù)來給浮標進行高精度實時定位；通過DSP技術(shù)進行大基陣數(shù)據(jù)處理；通過無線通訊技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可較好地在大范圍海域?qū)λ履繕诉M行檢測、識別、定位和跟蹤。

1 系統(tǒng)設(shè)計思想

為了使系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、通用性和可移植性強，采用模塊化、分層級連化思想進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟件硬件設(shè)計；為了使系統(tǒng)滿足應(yīng)用靈活和應(yīng)用范圍擴展性的要求，在總線設(shè)計、軟硬件設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面嚴格依據(jù)標準化規(guī)范；為了適應(yīng)海洋惡劣的操作環(huán)境，在結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計中充分借鑒便攜式和插件式設(shè)計方法，同時考慮使系統(tǒng)滿足體積小、重量輕和功耗低等實際需要。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本文設(shè)計的電子浮標系統(tǒng)是以DSP芯片為中心的全數(shù)字、模塊化結(jié)構(gòu)，它主要由干端和濕端兩大部分組成，兩部分之間的信息通過無線數(shù)據(jù)鏈路完成。整個系統(tǒng)的工作模型如圖1所示。濕端是由電子浮標和之相連的水聽器陣組成，主要完成對目標聲信號的檢測和先期處理；干端即監(jiān)測中心，一般安裝在浮標附近的移動或固定平臺上，主要完成對濕端傳來的目標數(shù)據(jù)進行存儲，實現(xiàn)對目標監(jiān)視跟蹤等功能，它由高性能工控機、無線通訊器和數(shù)字錄音機等組成。干擾可通過無線指令對濕端浮標進行狀態(tài)（工作狀態(tài)/待機狀態(tài)）切換、水聽器陣收放操作以及各種算法相關(guān)參數(shù)設(shè)置等控制。本文主要介紹濕端電子浮標信號處理方面的設(shè)計方法，有關(guān)浮標的浮力結(jié)構(gòu)、配重等方面的設(shè)計以及干端部分的設(shè)計方法從略，請參見文獻[1]。

2.1 電子浮標的組成和工作原理

電子浮標的主要功能是檢測水下目標的微弱聲信號，通過并行數(shù)字信號處理器對信號延時進行估計，以此對目標進行定位。其組成模塊示意圖如圖2所示。它的基本工作原理是當電子標接收到干端啟動指令后，就實時通過水聽器陣提取聲信號。該信號經(jīng)過前置低噪放大、濾波和A/D變換后，進行數(shù)字信號相關(guān)處理而獲得精確的信號延時估計值，進而對目標進行定位解算；電子浮標通過GPS接收機給水聽器陣同步定時；目標原始數(shù)字信息和解算后的位置信息經(jīng)過編碼處理通過無線數(shù)傳模塊傳輸?shù)礁啥吮O(jiān)濁中心進行存儲和目標監(jiān)視、跟蹤及識別。

2.1.1 前置預(yù)處理模塊

為了能夠?qū)崿F(xiàn)目標定位功能，水聽器陣選用合成系統(tǒng)限公司的T122偵察水聽器陣，該陣由2×6個高靈敏度的水聽器基元配置成垂直陣和水平陣形成，可在寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生固定的波束角度。由于水下目標的聲信號往往很弱（0級海況下，在水聽器接收端的電壓約為幾微伏），而海洋的環(huán)境噪聲很強，水聽器輸入端的信噪比很低，為了進行A/D轉(zhuǎn)換，在前置預(yù)處理模塊中必須對信號進行放大和濾波處理。前置預(yù)處理模塊的組成框圖如圖3所示。采用分級濾波和可變倍數(shù)放大是為了逐步消除海洋噪聲干擾并提取40Hz～15kHz的目標信號；采用AGC放大是為了將信號的動態(tài)限制在-5V～+5V范圍內(nèi)，從而滿足進行A/D轉(zhuǎn)換的需要。這里AGC自身的動態(tài)范圍為40dB；A/D采用并行32通道16bit插件，最高采樣率為40kHz，其輸出的數(shù)字信號進入水聲信號處理模塊進行進一步處理。

2.1.2 DSP陣列模塊

與其他聲納信號處理過程類似，電子浮標也涉及大量數(shù)據(jù)的實時處理。選用信號處理器時必須兼顧數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性和實時性要求，而DSP微處理器能夠高效實時地完成聲納信號處理順的波束形成、數(shù)字濾波、線譜增強、數(shù)值內(nèi)插等多種復(fù)雜的數(shù)值運算，而且它體積小，應(yīng)用靈活。因此本方案選用了DSP芯片作為電子浮標的數(shù)據(jù)處理中心。由于通過水聽器陣提取的目標數(shù)據(jù)巨大，并需要進行FFT和ZOOM-FFT等復(fù)雜的蝶形運算，采用高性能的DSP處理器才能更好地滿足實時性處理的需要。本文選用AD公司新近推出的超高性能并行ADSP21160微處理器[3]，它具有單指令多數(shù)據(jù)流的并行處理結(jié)構(gòu)。該處理器比目前聲納設(shè)計中常用的ADSP21060和TMS320C40在性能上有較大的提高[3]。ADSP21160的時鐘是ADSP21060的2.5倍，高達 100MHz，有兩個并行的ADSP21060核，運算速度是ADSP21060的5倍；而且ADSP21160的14個DMA通道各自獨立，具有4MB 內(nèi)部存儲空間。

考慮A/D采樣率和ADSP21160的處理能力，僅用單片DSP對目標數(shù)據(jù)實時進行多種復(fù)雜運算會超出它的處理能力。對電子浮標而言信號處理過程可分解為若干個級連的分功能處理過程，而每個分功能處理過程，又可以分解為進行的子處理過程（主要包括數(shù)據(jù)濾波、波束形成、延時測量、后置處理四個子處理過程），這些子處理過程用單片DSP來完成。因此必須用多片DSP來進行信號處理才能滿足大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜運行的需要。而且電子浮標各個子處理過程之間數(shù)據(jù)傳輸具有較強的空間范圍限制，在時間上也較為規(guī)律，因此本文采用分層級連DSP陣列結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)處理，其硬件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。最高層的DSP負責協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作，并和GPS接收機、無線數(shù)值模塊通過串口通訊；下一面的4個模塊在電路組成上模塊通過串口通訊；下一層的4個模塊在電路組成上相同，其中，EPROM是程序存儲器，高速RAM用來暫存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩沖和譯碼等由一片EPLD可編程邏輯器件實現(xiàn)，模塊間通訊都通過雙口RAM來實現(xiàn)。1級模塊用來數(shù)字濾波，2級模塊用來波束形成，3級模塊用來信號延時測量和目標位置解算，4級模塊用來后置處理。四個模塊采用信號流水級連形成，統(tǒng)一受最高層DSP控制，共同構(gòu)成了既緊密耦合又相互獨立，數(shù)據(jù)傳送效率高的級連數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

信號處理模塊主要涉及基于DSP硬件平臺的各種算法實現(xiàn)，該模塊的組成如圖5所示。A/D變換后的數(shù)字信號，先經(jīng)過頻帶可變的128點FIR數(shù)字濾波后進行存儲器動態(tài)濾束形成。約束形成是水聲信號處理中的常用技術(shù)[1]，它一方面可提高信噪比，另一方面可使水聽器陣具有空間選擇性，從而抑制其他方向來的相關(guān)干擾；完成波束形成后為了便于顯示處理和適應(yīng)顯示器的灰度要求，需要進行后置能量積累和數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍壓縮處理。這里的后置積累采用絕對值檢波分級處理，采用分級的目的是保證輸出具有連續(xù)、調(diào)和的灰度，動態(tài)范圍壓縮就是將數(shù)據(jù)由16位壓縮到8位，可采用丟掉低8位的線性壓縮方式和對數(shù)壓縮的非線性壓縮方式；在進行后置處理的同時，利用波束形成后的數(shù)據(jù)進行信號延時測量。為了提高延時處理的精度，這里采用粗測和精測兩個過程，其中精測采用自適應(yīng)噪聲抵銷法。該方法主要思想是通過LMS算法調(diào)節(jié)由多節(jié)抽頭延遲線構(gòu)成的自適應(yīng)濾波器的權(quán)系數(shù)，然后進行迭代平均而得到精度優(yōu)于40μs的粗延時估計。在粗估計的基礎(chǔ)上采用互譜技術(shù)、二次相關(guān)技術(shù)和極性相關(guān)技術(shù)進行延時精測，這里采用64點互譜運算和逆序方式的極性相關(guān)方式，通過延時精測可使延時的精度優(yōu)于25μs；得到不同水聽器的精確延時后即可通過經(jīng)典的3點陣法測距。

2.1.4 格式轉(zhuǎn)換和無線數(shù)傳模塊

這兩個模塊主要完成電子浮標與干端監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)通信。格式轉(zhuǎn)換是為了降低傳輸誤碼率而對所的數(shù)據(jù)通信。格式轉(zhuǎn)換是為了降低傳輸誤碼率而對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行編碼和譯碼，這里采用（2，1，9）擴展卷積碼的編碼和譯碼方式。這種碼能在譯碼約束長度20個碼元內(nèi)，糾正2個碼元的隨機錯誤和4個碼元的突發(fā)錯誤。為了能實時傳送電子浮標的顯示數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù)，這里采用碼速率高達727Kbps的WDC無線數(shù)字模塊，該模塊收發(fā)頻率在336MHz～344MHz可選，輸出功率15W，覆蓋范圍大于15km。

2.1.5 GPS接收機和時間同步模塊

為給電子浮標自身實時定位并給水聽器陣延時測量進行時間同步，這里采用具有精密授時功能的GPS接收機—JAVAD公司的JGG20.該接收機不僅有高穩(wěn)定度的5MHz、10MHz、20MHz頻標輸出，而且還有定時精度優(yōu)于25ns的1PPS輸出。本系統(tǒng)還從GPS接收機的輸出信息中實時提取電子浮標的三維位置、速度等信息，利用該信息便可維導(dǎo)出目標的大地坐標。

3 系統(tǒng)工作過程

當對水下運動目標進行監(jiān)測時，工作母船航行至監(jiān)測海域某特定位置，并將電子浮標投入海中。系統(tǒng)啟動后，最高層DSP先進行程序裝載并將系統(tǒng)初始化，設(shè)置下層各級模塊的初始化命令字和初始化參數(shù)并依次中斷下層各級模塊的DSP，下層模塊的DSP依次進入中斷服務(wù)程序并根據(jù)命令字，確定程序如何裝載以及參數(shù)如何設(shè)置，然后來裝載程序和設(shè)置參數(shù)。該過程完成后，下層DSP通過某一輸出口通知上層DSP并退出中斷。各部分都設(shè)置好后，高層DSP就啟動A/D，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。信號處理過程也采用中斷方式進行，前一級處理完成就中斷下一級處理模塊進行工作。需要注意的是在程序裝載完成后，為了克服溫躍層的影響，要根據(jù)該海域的水深及當時的海詳狀況，干端通過指令控制電子浮標的傳動機構(gòu)將水聽器陣放入合適的深度。當運動目標開始運動后，在干端的顯示屏上即可觀察到目標的運動軌跡，并可對目標進行識別和跟蹤，同時聽測系統(tǒng)可監(jiān)聽到運動目標的輻射噪聲。目標運動軌跡也同時由存儲打印機實施硬拷貝。

本文設(shè)計的電子浮標是綜合微弱信號檢測、DSP陣列技術(shù)、GPS技術(shù)和無線數(shù)傳技術(shù)等形成的新型水下目標監(jiān)測設(shè)備，具有對目標檢測、定位、識別和跟蹤等功能，有廣泛的應(yīng)用前景。