基于DSP的電子浮標(biāo)設(shè)計(jì)方案

電子浮標(biāo)由于沒有本艦噪聲的影響，對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)靈敏度高;此外它可通過飛機(jī)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(diǎn)，已成為偵察、反潛領(lǐng)域的重要裝備。而將多個(gè)浮標(biāo)組成網(wǎng)絡(luò)，就可對(duì)大范圍海域進(jìn)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(biāo)已成 世界海洋國家不惜巨資進(jìn)行開發(fā)的水下目標(biāo)監(jiān)測(cè)裝備。

　　本文介紹了一種基于分層級(jí)連DSP陣列技術(shù)的電子浮標(biāo)設(shè)計(jì)方案，該方案通過微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)來提取水下目標(biāo)的聲信號(hào);通過差分GPS技術(shù)來給浮標(biāo)進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)定位;通過DSP技術(shù)進(jìn)行大基陣數(shù)據(jù)處理;通過無線通訊技術(shù)進(jìn)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?biāo)進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別、定位和跟蹤。
 

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

　　為了使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、通用性和可移植性強(qiáng)，采用模塊化、分層級(jí)連化思想進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟件硬件設(shè)計(jì);為了使系統(tǒng)滿足應(yīng)用靈活和應(yīng)用范圍擴(kuò)展性的要求，在總線設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)中充分借鑒便攜式和插件式設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮使系統(tǒng)滿足體積小、重量輕和功耗低等實(shí)際需要。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本文設(shè)計(jì)的電子浮標(biāo)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(gè)系統(tǒng)的工作模型如圖1所示。濕端是由電子浮標(biāo)和之相連的水聽器陣組成，主要完成對(duì)目標(biāo)聲信號(hào)的檢測(cè)和先期處理;干端即監(jiān)測(cè)中心，一般安裝在浮標(biāo)附近的移動(dòng)或固定平臺(tái)上，主要完成對(duì)濕端傳來的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)監(jiān)視跟蹤等功能，它由高性能工控機(jī)、無線通訊器和數(shù)字錄音機(jī)等組成。干擾可通過無線指令對(duì)濕端浮標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)(工作狀態(tài)/待機(jī)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(biāo)信號(hào)處理方面的設(shè)計(jì)方法，有關(guān)浮標(biāo)的浮力結(jié)構(gòu)、配重等方面的設(shè)計(jì)以及干端部分的設(shè)計(jì)方法從略，請(qǐng)參見文獻(xiàn)[1]。

　　2.1 電子浮標(biāo)的組成和工作原理

　　電子浮標(biāo)的主要功能是檢測(cè)水下目標(biāo)的微弱聲信號(hào)，通過并行數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)信號(hào)延時(shí)進(jìn)行估計(jì)，以此對(duì)目標(biāo)進(jìn)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(dāng)電子標(biāo)接收到干端啟動(dòng)指令后，就實(shí)時(shí)通過水聽器陣提取聲信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過前置低噪放大、濾波和A/D變換后，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)相關(guān)處理而獲得精確的信號(hào)延時(shí)估計(jì)值，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位解算;電子浮標(biāo)通過GPS接收機(jī)給水聽器陣同步定時(shí);目標(biāo)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(jìn)行存儲(chǔ)和目標(biāo)監(jiān)視、跟蹤及識(shí)別。

　　2.1.1 前置預(yù)處理模塊

　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)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(gè)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(biāo)的聲信號(hào)往往很弱(0級(jí)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(qiáng)，水聽器輸入端的信噪比很低，為了進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在前置預(yù)處理模塊中必須對(duì)信號(hào)進(jìn)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(jí)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(biāo)信號(hào);采用AGC放大是為了將信號(hào)的動(dòng)態(tài)限制在-5V～+5V范圍內(nèi)，從而滿足進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的需要。這里AGC自身的動(dòng)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(hào)進(jìn)入水聲信號(hào)處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.1.2 DSP陣列模塊

　　與其他聲納信號(hào)處理過程類似，電子浮標(biāo)也涉及大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。選用信號(hào)處理器時(shí)必須兼顧數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性要求，而DSP微處理器能夠高效實(shí)時(shí)地完成聲納信號(hào)處理順的波束形成、數(shù)字濾波、線譜增強(qiáng)、數(shù)值內(nèi)插等多種復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)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(biāo)的數(shù)據(jù)處理中心。由于通過水聽器陣提取的目標(biāo)數(shù)據(jù)巨大，并需要進(jìn)行FFT和ZOOM-FFT等復(fù)雜的蝶形運(yùn)算，采用高性能的DSP處理器才能更好地滿足實(shí)時(shí)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(jì)中常用的ADSP21060和TMS320C40在性能上有較大的提高[3]。ADSP21160的時(shí)鐘是ADSP21060的2.5倍，高達(dá) 100MHz，有兩個(gè)并行的ADSP21060核，運(yùn)算速度是ADSP21060的5倍;而且ADSP21160的14個(gè)DMA通道各自獨(dú)立，具有4MB 內(nèi)部存儲(chǔ)空間。

　　考慮A/D采樣率和ADSP21160的處理能力，僅用單片DSP對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行多種復(fù)雜運(yùn)算會(huì)超出它的處理能力。對(duì)電子浮標(biāo)而言信號(hào)處理過程可分解為若干個(gè)級(jí)連的分功能處理過程，而每個(gè)分功能處理過程，又可以分解為進(jìn)行的子處理過程(主要包括數(shù)據(jù)濾波、波束形成、延時(shí)測(cè)量、后置處理四個(gè)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(jìn)行信號(hào)處理才能滿足大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜運(yùn)行的需要。而且電子浮標(biāo)各個(gè)子處理過程之間數(shù)據(jù)傳輸具有較強(qiáng)的空間范圍限制，在時(shí)間上也較為規(guī)律，因此本文采用分層級(jí)連DSP陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)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(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，并和GPS接收機(jī)、無線數(shù)值模塊通過串口通訊;下一面的4個(gè)模塊在電路組成上模塊通過串口通訊;下一層的4個(gè)模塊在電路組成上相同，其中，EPROM是程序存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)，模塊間通訊都通過雙口RAM來實(shí)現(xiàn)。1級(jí)模塊用來數(shù)字濾波，2級(jí)模塊用來波束形成，3級(jí)模塊用來信號(hào)延時(shí)測(cè)量和目標(biāo)位置解算，4級(jí)模塊用來后置處理。四個(gè)模塊采用信號(hào)流水級(jí)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(dú)立，數(shù)據(jù)傳送效率高的級(jí)連數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

　　2.1.3 水信號(hào)處理模塊

　　信號(hào)處理模塊主要涉及基于DSP硬件平臺(tái)的各種算法實(shí)現(xiàn)，該模塊的組成如圖5所示。A/D變換后的數(shù)字信號(hào)，先經(jīng)過頻帶可變的128點(diǎn)FIR數(shù)字濾波后進(jìn)行存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)濾束形成。約束形成是水聲信號(hào)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(jìn)行后置能量積累和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮處理。這里的后置積累采用絕對(duì)值檢波分級(jí)處理，采用分級(jí)的目的是保證輸出具有連續(xù)、調(diào)和的灰度，動(dòng)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(duì)數(shù)壓縮的非線性壓縮方式;在進(jìn)行后置處理的同時(shí)，利用波束形成后的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)延時(shí)測(cè)量。為了提高延時(shí)處理的精度，這里采用粗測(cè)和精測(cè)兩個(gè)過程，其中精測(cè)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(jìn)行迭代平均而得到精度優(yōu)于40μs的粗延時(shí)估計(jì)。在粗估計(jì)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(jìn)行延時(shí)精測(cè)，這里采用64點(diǎn)互譜運(yùn)算和逆序方式的極性相關(guān)方式，通過延時(shí)精測(cè)可使延時(shí)的精度優(yōu)于25μs;得到不同水聽器的精確延時(shí)后即可通過經(jīng)典的3點(diǎn)陣法測(cè)距。

　　2.1.4 格式轉(zhuǎn)換和無線數(shù)傳模塊

　　這兩個(gè)模塊主要完成電子浮標(biāo)與干端監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼和譯碼，這里采用(2，1，9)擴(kuò)展卷積碼的編碼和譯碼方式。這種碼能在譯碼約束長(zhǎng)度20個(gè)碼元內(nèi)，糾正2個(gè)碼元的隨機(jī)錯(cuò)誤和4個(gè)碼元的突發(fā)錯(cuò)誤。為了能實(shí)時(shí)傳送電子浮標(biāo)的顯示數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù)，這里采用碼速率高達(dá)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(jī)和時(shí)間同步模塊

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

　　3 系統(tǒng)工作過程

　　當(dāng)對(duì)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，工作母船航行至監(jiān)測(cè)海域某特定位置，并將電子浮標(biāo)投入海中。系統(tǒng)啟動(dòng)后，最高層DSP先進(jìn)行程序裝載并將系統(tǒng)初始化，設(shè)置下層各級(jí)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(jí)模塊的DSP，下層模塊的DSP依次進(jìn)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(dòng)A/D，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。信號(hào)處理過程也采用中斷方式進(jìn)行，前一級(jí)處理完成就中斷下一級(jí)處理模塊進(jìn)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(dāng)時(shí)的海詳狀況，干端通過指令控制電子浮標(biāo)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將水聽器陣放入合適的深度。當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)開始運(yùn)動(dòng)后，在干端的顯示屏上即可觀察到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，同時(shí)聽測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)聽到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的輻射噪聲。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡也同時(shí)由存儲(chǔ)打印機(jī)實(shí)施硬拷貝。