一種低功耗的水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程宏魏偉榮嚴(yán)勝剛

（1.昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，昆明，650051）

（2.中海石油（中國(guó)）有限公司南海深水天然氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目組，深圳，518000）

（3.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安，710072）

一種低功耗的水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程宏1魏偉榮2嚴(yán)勝剛3

（1.昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，昆明，650051）

（2.中海石油（中國(guó)）有限公司南海深水天然氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目組，深圳，518000）

（3.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安，710072）

針對(duì)安裝于浮標(biāo)上長(zhǎng)期值更的水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求，研究并開(kāi)發(fā)了一種低功耗目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以低功耗DSP芯片TMS320C5535與FPGA芯片A3P060為核心，配合低功耗的模擬通道電路，構(gòu)建硬件平臺(tái)，綜合采用相關(guān)累積及線譜概率檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)艦船目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的判別；湖上試驗(yàn)結(jié)果表明在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)系統(tǒng)能正確監(jiān)測(cè)船只停航并發(fā)出警示信息，滿足實(shí)際應(yīng)用要求；設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作功耗低，識(shí)別算法全速運(yùn)行時(shí)約為150 mW，滿足水下長(zhǎng)期值更工作的特殊要求。

低功耗；水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)；線譜檢測(cè)；相關(guān)檢測(cè)

基于浮標(biāo)的水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其電源由浮標(biāo)上的太陽(yáng)能板和蓄電池提供，對(duì)系統(tǒng)在功能復(fù)雜性、算法實(shí)時(shí)性、可長(zhǎng)時(shí)間工作性等方面提出了很高的要求。本方案采用新的低功耗軟、硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)和具有可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性良好的算法來(lái)構(gòu)建新的水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以滿足實(shí)際使用需求。方案綜合考慮系統(tǒng)的功耗、算法的實(shí)時(shí)性以及判別的準(zhǔn)確性，以低功耗DSP芯片TMS320C5535和FPGA芯片A3P060為基礎(chǔ)構(gòu)建了一個(gè)水下被動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有小型化、整體運(yùn)行功耗低、判別準(zhǔn)確性高、判決準(zhǔn)則和參數(shù)可遠(yuǎn)程設(shè)定等特點(diǎn)，可完成對(duì)艦船目標(biāo)的檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判別。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由水聽(tīng)器、模擬信號(hào)處理器、數(shù)字信號(hào)處理與控制器及無(wú)線通信（北斗）模塊四部分構(gòu)成。水聽(tīng)器負(fù)責(zé)水聲信號(hào)的獲取，并完成聲信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；模擬信號(hào)處理器完成低功耗放大、濾波以及增益控制等信號(hào)調(diào)理功能；調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到以低功耗DSP處理芯片TMS320C5535構(gòu)建的數(shù)字信號(hào)處理及控制器，完成艦船目標(biāo)的檢測(cè)與判別，一旦判斷艦船目標(biāo)航行到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)停泊或作業(yè)，數(shù)字信號(hào)處理及控制器開(kāi)啟北斗設(shè)備，向岸上的控制中心機(jī)房回傳警示信息；北斗設(shè)備完成浮標(biāo)位置測(cè)量和無(wú)線數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

1.1 數(shù)字信號(hào)處理及控制器的設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理及控制器是水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其主要功能包括：①進(jìn)行水聲信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理，并完成目標(biāo)的檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別以及警示信息回傳；②在設(shè)定時(shí)間開(kāi)啟北斗模塊電源，完成電池電壓測(cè)量，并將電壓信息、北斗位置信息等回傳；③定時(shí)或在收到新指令時(shí)關(guān)閉北斗模塊電源；④通過(guò)串口可對(duì)工作中的設(shè)備在線調(diào)整識(shí)別門限、選擇識(shí)別準(zhǔn)則，以保證設(shè)備工作的狀態(tài)最佳。硬件框圖見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)字信號(hào)處理及控制器硬件框圖

數(shù)字信號(hào)處理及控制器首先進(jìn)行信號(hào)采集，然后進(jìn)行AGC自適應(yīng)調(diào)整，最終完成目標(biāo)檢測(cè)和判別及報(bào)警。由于數(shù)字信號(hào)處理及控制器安裝于浮標(biāo)上，因此對(duì)電路板的尺寸、接口，尤其是功耗有著嚴(yán)格的限制。為了減少硬件電路規(guī)模，采用集成了大容量?jī)?nèi)部存儲(chǔ)器、超低功耗高性能DSP實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)；同時(shí)采用超低功耗的FPGA芯片A3P060來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP與外圍器件的接口邏輯。這種實(shí)現(xiàn)方式既可以減少硬件電路的規(guī)模，提高了集成度，同時(shí)還可以靈活地進(jìn)行擴(kuò)展。

數(shù)字信號(hào)處理及控制器選擇TI公司的超低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C5535作為主處理器，該處理器是專為低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)；FPGA采用Actel公司的A3P060，其獨(dú)特的熔絲FLASH結(jié)構(gòu)使其功耗大大降低。該系統(tǒng)中，DSP和FPGA使用I2S總線和GPIO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。其他沒(méi)有用到的GPIO引腳都將它連至FPGA的I/O上，方便系統(tǒng)以后的擴(kuò)展與修改。

1.2 外圍電路設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理及控制器外圍電路設(shè)計(jì)主要包括ADC電路、RS232收發(fā)器電路和北斗電源開(kāi)關(guān)電路以及整個(gè)系統(tǒng)的供電電路。

ADC接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。AD7694采用獨(dú)立單電源5 V供電，由電源芯片提供并經(jīng)RC濾波后得到；5 V參考電壓REF則由高精度參考電壓芯片ADR4550提供； CNV和SCK信號(hào)由FPGA提供，改變CNV和SCK周期即可設(shè)置不同的采樣頻率。

圖3 AD7694電路設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)采用RS232接口實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理機(jī)與北斗模塊的通信，方案中TMS320C5535的UART外設(shè)通過(guò)MAXIM公司的MAX3222E實(shí)現(xiàn)RS232電平轉(zhuǎn)換。圖4為RS232接口電路圖。MAX3222E采用獨(dú)立單電源3.3 V供電，由電源芯片提供并經(jīng)RC濾波后得到；兩個(gè)傳輸信號(hào)F_TXD和F_RXD直接與FPGA鏈接，而FPGA再將這兩個(gè)信號(hào)連接至DSP的UART_TXD和UART_RXD。將接至FPGA，在用不到RS232時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗，允許監(jiān)視外設(shè)，僅消耗1 μA的電源電流。

圖4 RS232接口電路圖

由于北斗設(shè)備的待機(jī)功耗較大，因此為了節(jié)省電能，只有在DSP與北斗通訊時(shí)才開(kāi)啟北斗。北斗電源開(kāi)關(guān)電路的功能主要是需通過(guò)DSP的GPIO高低電平來(lái)控制北斗電源的開(kāi)關(guān)。北斗電源開(kāi)關(guān)電路圖如圖5所示。MOS管的型號(hào)選擇IRF9310，是因?yàn)楸倍饭ぷ鲿r(shí)候的瞬間電流最大可能會(huì)有10 A左右，因此要選擇一款電流較大且導(dǎo)通電阻較小的MOS管，以防止器件的損壞和功率的損耗。IRF9310的電流值Id高達(dá)20 A，而導(dǎo)通電阻Ron僅有4 mΩ，完全滿足系統(tǒng)要求。

圖5 北斗電源開(kāi)關(guān)電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，DSP按照順序初始化各外設(shè)接口。之后通過(guò)北斗接收來(lái)自上位機(jī)的參數(shù)命令。DSP解析完參數(shù)命令后使系統(tǒng)工作在指定的模式下，包括采樣頻率、濾波器系數(shù)、判別門限、觀察時(shí)間和定點(diǎn)發(fā)送系統(tǒng)信息的時(shí)間間隔等。DSP同時(shí)完成對(duì)信號(hào)的線譜檢測(cè)、相關(guān)檢測(cè)、綜合判定等。DSP的軟件組成及工作流程如圖6所示。

圖6 DSP的軟件組成及流程圖

2.1 基于線譜的目標(biāo)檢測(cè)及判別

線譜特征是運(yùn)動(dòng)艦船的固有特征，通過(guò)檢測(cè)艦船的線譜特征可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)艦船的檢測(cè)及其狀態(tài)的判別。

線譜檢測(cè)的工作原理及流程如下：

● 在設(shè)定的系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)（50 Hz～5 kHz），進(jìn)行線譜檢測(cè)和幅度判別；

● 在確認(rèn)時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)超過(guò)幅度門限的有效線譜數(shù)量，并與門限進(jìn)行比較，確認(rèn)目標(biāo)有無(wú)。

下一步根據(jù)目標(biāo)的上一個(gè)狀態(tài)及當(dāng)前狀態(tài)，確定目標(biāo)停航還是遠(yuǎn)離。基于線譜的目標(biāo)判別流程如下：

● 判斷當(dāng)前狀態(tài)是否為有目標(biāo)，如果有目標(biāo)則與上一狀態(tài)比較，若為首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)則記錄目標(biāo)的頻譜結(jié)構(gòu)，如不是首次發(fā)現(xiàn)，則判斷是否與已發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)為同一目標(biāo)；

● 從有目標(biāo)到無(wú)目標(biāo)，則通過(guò)從有目標(biāo)到無(wú)目標(biāo)的過(guò)渡時(shí)間判斷目標(biāo)停航還是遠(yuǎn)離，如果目標(biāo)在浮標(biāo)附近停航，則給出警示信息。

2.2 基于輻射噪聲相關(guān)的目標(biāo)檢測(cè)及判別

相關(guān)性分析是檢測(cè)兩段信號(hào)相似性的一種有效方法，通過(guò)相關(guān)累積判定是否出現(xiàn)目標(biāo)或目標(biāo)停航（遠(yuǎn)離），具體的工作流程為：

● 依據(jù)設(shè)定的相關(guān)時(shí)間，選取數(shù)據(jù)段進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算；

● 對(duì)相關(guān)輸出進(jìn)行低通濾波，并與設(shè)定的目標(biāo)有效門限進(jìn)行比較；

● 判斷是否有目標(biāo)，進(jìn)入自適應(yīng)門限處理。

確定是否有目標(biāo)后更重要的是進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的判別。基于相關(guān)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換判別過(guò)程如下：

● 判斷當(dāng)前是否有目標(biāo)，并與上一目標(biāo)狀態(tài)比較，并記錄發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的時(shí)間；

● 如果判斷本周期無(wú)目標(biāo)，則通過(guò)最后一次有目標(biāo)到無(wú)目標(biāo)的過(guò)渡時(shí)間判定目標(biāo)遠(yuǎn)離還是停船。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)室調(diào)試后，開(kāi)展了湖上驗(yàn)證試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備置于工作母船上在湖中漂泊，顯控設(shè)備置于岸邊控制中心內(nèi)。另外安排一條目標(biāo)船，在距工作母船不同距離上航行或停船，檢驗(yàn)水聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用距離、目標(biāo)狀態(tài)判斷等性能和功能指標(biāo)，目標(biāo)船航行軌跡如圖7所示，分別在距監(jiān)測(cè)系統(tǒng)800 m、1.6 km、1.5 km、1.2 km的不同點(diǎn)位停船。

圖7 湖上試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于目標(biāo)船以7 kn以上速度航行，檢測(cè)距離大于1.6 km，且能正確判別船只的停航及遠(yuǎn)離；在目標(biāo)停船時(shí)，發(fā)出報(bào)警。系統(tǒng)達(dá)到要求的技術(shù)指標(biāo)。

系統(tǒng)正常工作時(shí)平均功耗約為150 mW，在DSP主頻設(shè)置為60 MHz的情況下，系統(tǒng)單次統(tǒng)計(jì)判別算法的執(zhí)行時(shí)間僅為30 ms，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性上可以滿足水中目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的實(shí)際工作指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

論文研究了基于低功耗設(shè)計(jì)的通道預(yù)處理模塊與TMS320C5535構(gòu)建的低功耗水聲被動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了水下目標(biāo)被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)低功耗實(shí)現(xiàn)的難題。系統(tǒng)軟件綜合采用相關(guān)累積及線譜概率檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)艦船目標(biāo)的檢測(cè)及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)經(jīng)湖試驗(yàn)證，在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和低功耗方面均達(dá)到水中目標(biāo)被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

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