基于通用信號處理平臺的聲吶目標(biāo)模擬器設(shè)計

盛成明，唐鎖夫,陳 昕

(702廠，上海 200434)

基于通用信號處理平臺的聲吶目標(biāo)模擬器設(shè)計

盛成明，唐鎖夫,陳 昕

(702廠，上海 200434)

文章針對新型聲吶調(diào)試維修中需特定參數(shù)的傳感器信號的實際情況，提出設(shè)計基于通用信號處理平臺的聲吶目標(biāo)模擬器設(shè)計思路，針對新型數(shù)字聲吶設(shè)計可聯(lián)機工作的數(shù)字仿真系統(tǒng)，用于模擬實際聲吶傳感器陣列信號特性，完成對聲吶系統(tǒng)的調(diào)試與維修工作，從而提高新型聲吶設(shè)備的保障能力。

信號處理平臺；模擬器；仿真

在聲吶的調(diào)試與維修中，通常需要提供特定參數(shù)要求的傳感器信號給聲吶設(shè)備，以實現(xiàn)對聲吶設(shè)備的測試校準(zhǔn)等任務(wù)。傳統(tǒng)的辦法是通過在試驗水池中或者海上試驗中來采集提供。這樣，一方面建設(shè)消聲水池特別是大型消聲水池經(jīng)費投入很大，而利用試驗平臺在海上進行試驗代價也不?。涣硪环矫嬗捎谒曅诺赖膹?fù)雜多變，在水池中難以完全滿足對聲吶性能全面測試與檢查的條件，而海上試驗受外界影響更大，做好一次試驗往往需要相當(dāng)長的時間。因此，研制聲吶目標(biāo)模擬器，經(jīng)濟、實時、精確地完成對聲吶系統(tǒng)的調(diào)試與維修工作，特別是在中修內(nèi)場修理、現(xiàn)場噪聲測距精度等調(diào)校中，已成為新型聲吶設(shè)備維修保障中急需解決的問題。

本文基于通用信號處理平臺的聲吶目標(biāo)模擬器設(shè)計思路，是針對新型數(shù)字聲吶設(shè)計一個可聯(lián)機工作的數(shù)字仿真系統(tǒng)，用于模擬實際聲吶傳感器陣列信號特性，完成對聲吶系統(tǒng)的調(diào)試與維修工作，從而提高新型聲吶設(shè)備的保障能力。

1 組成與功用

聲吶目標(biāo)模擬器的主要功能是模擬適用于平面陣陣形可變、基元數(shù)可變的聲吶信號，模擬產(chǎn)生目標(biāo)信號和各向同性相互獨立的海洋環(huán)境噪聲，模擬本艇的航向變化，模擬距離、方向、速度、信噪比等參數(shù)變化的噪聲目標(biāo)，模擬距離、速度、信噪比、方位、頻率、周期等參數(shù)變化的主動聲吶脈沖目標(biāo)。并能將受測聲吶輸出的目標(biāo)舷角方位、距離等參數(shù)與模擬器的相應(yīng)參數(shù)進行比較，進一步計算處理，顯示打印檢測結(jié)果。

模擬器由1個標(biāo)準(zhǔn)信號處理機箱組成，包括66路信號通道，6個DSP陣列，輸出接口，1片ARM、TFT液晶顯示和鍵盤等，其組成框圖如圖1 所示。

圖1 模擬器組成框圖

1.1信號通道

信號通道由 D/A、濾波器、衰減器和驅(qū)動輸出組成。D/A為100 kHz、12比特數(shù)模轉(zhuǎn)換器；濾波器用于濾除D/A輸出中的高頻分量；衰減器將D/A輸出的大信號進行衰減，以滿足輸出小信號的需要；驅(qū)動輸出的作用提高信號源輸出的驅(qū)動能力。需要注意的是衰減器不能采用常規(guī)的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，因為在小信號輸出時(百微伏量級輸出)電阻對信號衰減，但是卻不能對電路噪聲達到衰減的目的。D/A的轉(zhuǎn)換頻率為信號寬帶的4倍。在信號最大寬帶為25 kHz的情況下，D/A的最高轉(zhuǎn)換頻率為100 kHz。

1.2DSP陣列

信號源的輸出信號通常都是連續(xù)的隨機信號，這就要求信號源能夠?qū)崟r完成連續(xù)的隨機信號樣本點的實時運算。在最高100 kHz的D/A轉(zhuǎn)換頻率條件下，需要大約“一個樣本點/150 ns”的實時運算速度。DSP算出的隨機信號的樣本點通常頻率較寬，這就要求進一步完成數(shù)字濾波運算將多余的高頻分量濾除。66路隨機信號序列的產(chǎn)生至濾波，將會導(dǎo)致數(shù)字運算量急劇增加。為達到信號的實時產(chǎn)生，采用多片DSP構(gòu)成的陣列來提高信號處理的實時性。DSP陣列處理輸出的信號樣本點定時輸出給每個通道的D/A轉(zhuǎn)換器，進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

1.3ARM嵌入式處理器

ARM嵌入式處理器的作用是管理液晶顯示器和鍵盤，控制DSP陣列的運算模式。通過液晶顯示器和鍵盤的管理，實現(xiàn)人機交互方式的信號參數(shù)設(shè)定；同時還可以將各種不同的信號參數(shù)進行E2ROM的固化。這樣信號源可以采用人工設(shè)置和已有的設(shè)置參數(shù)2種不同方法來選擇輸出信號。E2ROM最多可以存儲2 000個不同信號參數(shù)。由ARM管理下完成的信號參數(shù)的選取之后，ARM將這些參數(shù)傳輸給DSP陣列。DSP將依據(jù)這些參數(shù)進行隨機信號樣本點和數(shù)字濾波的實時運算。CF卡可以用來存儲DSP陣列的處理程序。這樣就可以便于將來對信號源的升級，而且這種升級不需任何硬件的改動；只是通過標(biāo)準(zhǔn)計算機及信號源之間的通信(USB)將DSP陣列處理程序存儲在CF中。這樣信號源所產(chǎn)生的信號種類就會增加很多，從理論上講應(yīng)該是無窮多種。

1.4顯示器與鍵盤

鍵盤和液晶顯示器的作用就是用于建立人機交互，完成信號參數(shù)的設(shè)置與信號源庫內(nèi)信號的選擇。系統(tǒng)電源全部采用線性的模擬電源，這樣有利于小信號輸出時降低電路噪聲的影響。

2 關(guān)鍵模塊的實現(xiàn)

2.1信號處理板(DSP處理板)

DSP處理板為通用信號處理平臺的核心部分，采用6U CPCI總線結(jié)構(gòu)，完成通用信號處理平臺所需的絕大部分數(shù)字信號處理功能。該平臺由若干塊DSP板組成，板與板之間通過Link口連接，形成不同規(guī)模的多DSP并行陣列處理系統(tǒng)，以完成不同的信號處理算法。信號處理板采用由8片ADI公司的ADSP-TS101S 芯片組成的高性能數(shù)字信號處理板。TS101S 芯片的峰值浮點運算能力可達14.4 GFLOPS。該板卡采用32 bit/66 MHz的CPCI總線，并提供大容量的存儲器，包括高達512 M字節(jié)的SDRAM和8 M字節(jié)的FLASH。該板還包括多種類型的IO接口，例如PMC接口和擴展的Link口等，提供了靈活高效的數(shù)據(jù)通路。

DSP板卡配置了2簇共8片TigerSHARC (ADSP-TS101S)芯片，板卡將這8顆DSP芯片分為2個DSP簇。每簇4片DSP芯片共享64 bit/80 MHz的局部端總線，并可通過該局部端總線訪問每簇的SDRAM和主機接口芯片。每片ADSP-TS101S片內(nèi)具有6 Mbit的SRAM，在主屏300 MHz下工作可提供高達1 800 MFLOPS的運算能力。

2.2數(shù)字信號獲取板(D/A板)

D/A板卡是基于DSP TS101的高性能信號處理板，該板能完成信號處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，支持100 kHz以下可選采樣頻率，轉(zhuǎn)換精度11 bit，信噪比70 dB。

單板通道數(shù)可靈活選擇和啟用。多個D/A板之間采用可配置的主從同步模式，并提供精確統(tǒng)一的同步采樣信號，便于擴充通道數(shù)，以備大規(guī)模陣列信號產(chǎn)生之需。采樣信號由精確的時鐘綜合芯片產(chǎn)生，可編程配置，頻率分辨率高，可達10 Hz以內(nèi)，使用方便。

2.3模擬器仿真模塊設(shè)計

聲吶目標(biāo)模擬器主要由目標(biāo)輻射噪聲仿真模塊、目標(biāo)發(fā)射偵察脈沖信號仿真模塊、水聽器基陣陣形仿真模塊和背景噪聲仿真模塊4大仿真模塊組成。

2.3.1 目標(biāo)輻射噪聲仿真模塊

根據(jù)通常采用的假設(shè)，可以認為艦船噪聲近似服從高斯分布，其統(tǒng)計特性可通過二階距來描述。因此，對艦船噪聲的仿真可歸結(jié)為對隨機信號相關(guān)特性或功率譜特性的仿真。在現(xiàn)代聲吶檢測和識別的過程中，已經(jīng)利用了艦船噪聲平穩(wěn)連續(xù)譜、低頻線譜和包跡譜(時變調(diào)制譜)的特性。艦船噪聲時變功率譜可表示為：

G(t,f)=GX(f)+GL(f)+M(t)M(f)GX(f)，

(1)

式中：GX(f)為平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)高斯過程的連續(xù)譜；GL(f)為在頻率上離散分布的線譜；M(t)M(f)GX(f)為譜級受到周期調(diào)制的時變功率譜；M(t)為調(diào)制函數(shù)，代表連續(xù)譜所受到的周期時變調(diào)制；M(f)為調(diào)制深度譜，反映不同頻率成分所具有的不同調(diào)制程度。

目標(biāo)輻射噪聲的仿真框圖如圖2所示。

圖2 目標(biāo)輻射噪聲的仿真框圖

2.3.2 偵察脈沖信號仿真模塊

在仿真中，通過模擬器可以選擇單頻脈沖信號。與噪聲類隨機信號不同，偵察脈沖信號屬于可用顯函數(shù)表示的確定性信號，可按函數(shù)表達式計算產(chǎn)生。本模擬器采用迭代算法產(chǎn)生各種單、調(diào)頻信號，速度快，精度高，通用性好。通過改變迭代參數(shù)即可產(chǎn)生出具有不同特性的單、調(diào)頻脈沖信號。

2.3.3 水聽器基陣陣形仿真模塊

本模擬器中對典型的線列舷側(cè)陣形進行模擬，最多能夠?qū)?3個水聽器的進行模擬，即依據(jù)目標(biāo)的方向和距離經(jīng)過反波束形成得到33路水聽器相應(yīng)的接收信號。對目標(biāo)入射波采用面波的假設(shè)，基陣所收到的目標(biāo)聲波可視為從某一方向入射的一束平面波，由于各基元空間所在位置不同，各基元接收信號之間存在著因到達時間不同而產(chǎn)生的時間差。這種時間差隨著入射方向的不同而變化。

線陣的陣元間延時為：

(2)

式中：i=1,2,…,n，n為陣元數(shù)，i為第i個陣元；R為目標(biāo)與陣中距離；Li為第i陣元到陣中距離；θi為目標(biāo)到第i陣元的方向；c為聲速。

聲吶中通過時延補償實現(xiàn)各基元信號同相疊加的方法，實現(xiàn)對目標(biāo)的檢測和定向，這是聲吶中的波束形成。在基陣信號模擬中，按平面波假設(shè)從1個目標(biāo)源信號產(chǎn)生具有特定時延的多基元輸出，在聲吶基陣信號模擬中被稱為反波束形成。反波束形成時首先根據(jù)基陣結(jié)構(gòu)和目標(biāo)方位計算入射波到達各基元的時延，并把時延值量化為相應(yīng)的粗延控制量和細延控制量。然后采用通常的存儲器尋址方法，實現(xiàn)各基元信號的粗延。細延通過內(nèi)插FIR濾波器實現(xiàn)，為了保證時延精度，反波束形成時延計算的量化步長定為10-7s。

2.3.4 信號傳播中的背景噪聲仿真模塊

從聲吶方程中可以看到，任何聲吶系統(tǒng)的性能都受到背景噪聲的限制，這里背景噪聲主要包括環(huán)境噪聲。通常認為海洋環(huán)境噪聲為寬帶，每倍頻程下降6 dB，強度由海況決定。同時也設(shè)計了從-1～-9 dB譜狀的濾波系數(shù)可供顯控選擇。

背景噪聲譜狀控制采用自回歸譜擬合技術(shù)實現(xiàn)。但為了保證各基元的背景噪聲相互獨立，各基元背景噪聲的自回歸譜擬合是多路分別進行，以保證各路給出的噪聲序列互不相關(guān)。背景噪聲仿真的原理框圖如圖3所示。

圖3 背景噪聲仿真的原理框圖

3 結(jié)束語

本聲吶目標(biāo)模擬器充分利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理理論及技術(shù)，其硬件系統(tǒng)基于高速靈活的DSP處理芯片，使先進的信號仿真模型與算法得以在模擬器上實現(xiàn)，使之具有仿真建模方法獨特，結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，功能齊全、仿真精度高、通道數(shù)多、可編程、通用性及可擴展性強等優(yōu)點，在功能性、實用性和技術(shù)指標(biāo)上達到了設(shè)計要求，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

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Debugging and repairing a new type of sonar always require a specific parameter sensor signal.In order to give this signal,a new design for sonar simulator is presented which is based on sonar universal digital signal processing platform.The digital simulator which can work online is designed according to new type sonar.It can simulate sonar signals which have the same characteristic as reality and can help engineer debugging and repairing.It is very useful for improving support capability in late model sonar.

signal processing platform;simulator;emulation

U672.3

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.06.005

盛成明(1962-)，男，浙江寧波人，高級工程師，碩士，主要研究方向為水聲工程。

2014-07-11