本文介紹了一種基于分層級連DSP陣列技術(shù)的電子浮標(biāo)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(biāo)的聲信號;通過差分GPS技術(shù)來給浮標(biāo)進(jìn)行高精度實(shí)時定位;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,、識別、定位和跟蹤,。
1 系統(tǒng)設(shè)計思想
為了使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單,、通用性和可移植性強(qiáng),，采用模塊化、分層級連化思想進(jìn)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(kuò)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(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(shí)際需要,。
2 系統(tǒng)設(shè)計方案
本文設(shè)計的電子浮標(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,，主要完成對目標(biāo)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(biāo)附近的移動或固定平臺上，主要完成對濕端傳來的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,，實(shí)現(xiàn)對目標(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)信號處理方面的設(shè)計方法,，有關(guān)浮標(biāo)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(xiàn)[1],?！ ?/p>
2.1 電子浮標(biāo)的組成和工作原理
電子浮標(biāo)的主要功能是檢測水下目標(biāo)的微弱聲信號，通過并行數(shù)字信號處理器對信號延時進(jìn)行估計,，以此對目標(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)接收到干端啟動指令后,，就實(shí)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(jìn)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(jìn)而對目標(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;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)行存儲和目標(biāo)監(jiān)視、跟蹤及識別?！ ?/p>
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(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)處理模塊中必須對信號進(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;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(jìn)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(jìn)入水聲信號處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理,。
2.1.2 DSP陣列模塊
與其他聲納信號處理過程類似,，電子浮標(biāo)也涉及大量數(shù)據(jù)的實(shí)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(shí)時性要求，而DSP微處理器能夠高效實(shí)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(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(dá) 100MHz，有兩個并行的ADSP21060核,，運(yùn)算速度是ADSP21060的5倍;而且ADSP21160的14個DMA通道各自獨(dú)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(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時進(jìn)行多種復(fù)雜運(yùn)算會超出它的處理能力,。對電子浮標(biāo)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(jìn)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(jìn)行信號處理才能滿足大數(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(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(shí)現(xiàn)，模塊間通訊都通過雙口RAM來實(shí)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(biāo)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(dú)立,，數(shù)據(jù)傳送效率高的級連數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?！ ?/p>
2.1.3 水信號處理模塊
信號處理模塊主要涉及基于DSP硬件平臺的各種算法實(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,，先經(jīng)過頻帶可變的128點(diǎn)FIR數(shù)字濾波后進(jìn)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(jìn)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(jìn)行后置處理的同時,，利用波束形成后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行延時精測,，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(diǎn)陣法測距?！ ?/p>
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(biāo)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(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度20個碼元內(nèi),，糾正2個碼元的隨機(jī)錯誤和4個碼元的突發(fā)錯誤。為了能實(shí)時傳送電子浮標(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)和時間同步模塊
為給電子浮標(biāo)自身實(shí)時定位并給水聽器陣延時測量進(jìn)行時間同步，這里采用具有精密授時功能的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)對水下運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)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(biāo)投入海中。系統(tǒng)啟動后,，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(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A/D,，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。信號處理過程也采用中斷方式進(jìn)行,，前一級處理完成就中斷下一級處理模塊進(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)時的海詳狀況,，干端通過指令控制電子浮標(biāo)的傳動機(jī)構(gòu)將水聽器陣放入合適的深度。當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)開始運(yùn)動后,，在干端的顯示屏上即可觀察到目標(biāo)的運(yùn)動軌跡,，并可對目標(biāo)進(jìn)行識別和跟蹤，同時聽測系統(tǒng)可監(jiān)聽到運(yùn)動目標(biāo)的輻射噪聲,。目標(biāo)運(yùn)動軌跡也同時由存儲打印機(jī)實(shí)施硬拷貝,。