一種基于GSL的主動(dòng)全向浮標(biāo)信號(hào)處理仿真方法

許弋慧 劉桂瑜

（第七一五研究所，杭州，310023）

一種基于GSL的主動(dòng)全向浮標(biāo)信號(hào)處理仿真方法

許弋慧 劉桂瑜

（第七一五研究所，杭州，310023）

研究以CPU為平臺(tái)，利用GSL科學(xué)計(jì)算庫(kù)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)全向浮標(biāo)信號(hào)的處理方法。數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。將該方法應(yīng)用于浮標(biāo)仿真系統(tǒng)，可節(jié)省成本和資源。

主動(dòng)全向浮標(biāo)；信號(hào)處理；CPU；GSL

浮標(biāo)作為反潛直升機(jī)和反潛巡邏機(jī)的重要搜潛裝備，在反潛工作中具有極其重要的作用。主動(dòng)全向浮標(biāo)可提供目標(biāo)距離、徑向速度，并且布設(shè)速度快，受載機(jī)自噪聲影響小，三枚主動(dòng)全向浮標(biāo)還可精準(zhǔn)測(cè)定目標(biāo)的方向、距離及速度［1，2］。主動(dòng)全向浮標(biāo)處理算法一般基于DSP實(shí)現(xiàn)。

由于DSP價(jià)格高、開發(fā)周期長(zhǎng)，為節(jié)省成本、縮短開發(fā)周期，仿真系統(tǒng)往往以通用CPU作為平臺(tái)。本文著重研究了一種基于GSL（GNU Scientific Library）科學(xué)計(jì)算庫(kù)的主動(dòng)全向浮標(biāo)信號(hào)處理方法在CPU上的高效實(shí)現(xiàn)。

1 方法原理

主動(dòng)全向浮標(biāo)發(fā)射某種形式的聲信號(hào)，利用信號(hào)在水下傳播途中障礙物或者目標(biāo)反射的回波探測(cè)目標(biāo)距離及徑向速度。CW單頻信號(hào)為常用的發(fā)射信號(hào)。其信號(hào)波形與頻譜如圖1所示。

圖1 CW頻譜

1.1 目標(biāo)速度測(cè)量

CW信號(hào)測(cè)量目標(biāo)徑向速度是基于多普勒頻移現(xiàn)象［3］，其基本原理是發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率為ft的單頻信號(hào)，一旦經(jīng)目標(biāo)反射，接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率為fr，根據(jù)多普勒頻移公式即可得出

其中c為海水中聲速。vr為浮標(biāo)與目標(biāo)的相對(duì)徑向速度：vr＞0表示目標(biāo)接近浮標(biāo)；vr＜0表示目標(biāo)遠(yuǎn)離浮標(biāo)。fd為多普勒頻移。根據(jù)式（1）、（2），可推出

由公式（3）得出：多普勒頻移fd與徑向速度vr呈正比關(guān)系，因此分析fd即可得到vr，不同頻移與速度之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 多普勒頻移fd與徑向速度vr的關(guān)系

當(dāng)目標(biāo)與浮標(biāo)相對(duì)靜止時(shí)：vr=0、fr=ft、fd=0；當(dāng)目標(biāo)接近浮標(biāo)時(shí)：vr＞0，fr＞ft，fd＞0；當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離浮標(biāo)時(shí)：vr＜0，fr＜ft，fd＜0。

1.2 目標(biāo)距離測(cè)量

CW信號(hào)測(cè)量目標(biāo)距離是通過接收回波與發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差來計(jì)算［3］，根據(jù)1.1節(jié)所述，發(fā)射機(jī)發(fā)射單頻信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后，接收機(jī)接收到回波信號(hào)，測(cè)得信號(hào)的往返時(shí)間差，對(duì)其取半即為單程時(shí)間差，通過距離計(jì)算公式得出：

如圖3所示，時(shí)間t為信號(hào)往返時(shí)間差，根據(jù)式（4）即可計(jì)算出目標(biāo)距離。

圖3 CW信號(hào)測(cè)距原理

2 GSL實(shí)現(xiàn)思路

CPU采用的是“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”，不同于DSP的“哈佛結(jié)構(gòu)”，CPU未具備DSP的高速數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。但CPU性能較以前有了很大的提升：主頻增加，數(shù)據(jù)總線寬度改善，還具有高速緩存，處理數(shù)據(jù)的能力大幅提高。借助一些科學(xué)計(jì)算庫(kù)，可在CPU上高效實(shí)現(xiàn)主動(dòng)全向浮標(biāo)信號(hào)處理。GSL是一個(gè)開源的科學(xué)計(jì)算庫(kù)，擁有大量C語言編寫的科學(xué)計(jì)算函數(shù)，在數(shù)學(xué)運(yùn)算上十分強(qiáng)大。在CPU上使用GSL，能夠在一定程度上提升計(jì)算效率。

GSL具有快速傅里葉模塊［4］，提供了FFT函數(shù)：

該函數(shù)輸入?yún)?shù)data可為長(zhǎng)度為2n的double型數(shù)組，也可直接為長(zhǎng)度n的gsl_complex數(shù)組；stride為步長(zhǎng)；n為處理的復(fù)數(shù)個(gè)數(shù)；wavetable和workspace分配的存儲(chǔ)空間，長(zhǎng)度為n，用于放置變換過程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)，變換結(jié)束后，要將這兩塊存儲(chǔ)空間進(jìn)行釋放，以免發(fā)生內(nèi)存泄漏。該函數(shù)輸出結(jié)果重新保存在data數(shù)組中，數(shù)據(jù)類型同輸入。

根據(jù)以上輸入輸出的分析，F(xiàn)FT的處理步驟可以分為三個(gè)步驟，首先分配wavetable和workspace所需的空間，然后直接調(diào)用函數(shù)gsl_fft_complex_forward進(jìn)行FFT處理，最后釋放之前分配的空間。為方便使用，可將這三個(gè)步驟封裝成一個(gè)函數(shù)。進(jìn)行FFT處理，調(diào)用此函數(shù)即可完成，代碼如下：

該函數(shù)輸入?yún)?shù)a為一個(gè)向量結(jié)構(gòu)體；b為長(zhǎng)度相等的系數(shù)常向量結(jié)構(gòu)體。該函數(shù)輸出結(jié)果重新保存在向量a中。降采樣低通濾波、復(fù)解調(diào)等處理步驟本質(zhì)為向量相乘，都可通過此函數(shù)得到。

3 GSL實(shí)現(xiàn)方法

3.1 算法流程

算法流程見圖4。為提高分辨率，減少運(yùn)算量，首先對(duì)主動(dòng)全向浮標(biāo)信號(hào)進(jìn)行降采樣低通濾波。根據(jù)1.1節(jié)目標(biāo)速度測(cè)量原理所述，徑向速度可通過計(jì)算多普勒頻移fd得到，復(fù)解調(diào)變換是將主動(dòng)全向浮標(biāo)回波信號(hào)消除載波的過程。FFT變換是將復(fù)解調(diào)和濾波后的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)為頻域。最后對(duì)其求模，通過以上處理就可得到多普勒頻移fd。目標(biāo)距離測(cè)量算法步驟同1.1節(jié)目標(biāo)速度測(cè)量，目標(biāo)距離與fd出現(xiàn)最大值的時(shí)間成正比。

圖4 算法流程圖

3.2 實(shí)現(xiàn)條件

硬件采用Intel I7 CPU處理器，主頻3.50 GHz，8 GB內(nèi)存，500 GB硬盤。軟件采用Windows操作系統(tǒng)、Visual Studio2005開發(fā)工具。在進(jìn)行開發(fā)之前，VS2005需配置GSL開發(fā)環(huán)境，分三步驟進(jìn)行：（1）向VisualStudio C++項(xiàng)目代碼中添加GSL的包含文件目錄為：gsl/include；（2）在項(xiàng)目中增加GSL軟件庫(kù)文件：libgsl.lib和libgslcblas.lib；（3）在項(xiàng)目運(yùn)行目錄中增加動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)：libgsl.dll和libgslcblas.dll。

3.3 結(jié)果評(píng)價(jià)

采用200 ms的脈沖寬度，模擬目標(biāo)距離4.00 km，目標(biāo)徑向速度6.00 kn。30 s時(shí)目標(biāo)距離和速度的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。圖中亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為目標(biāo)距離，橫坐標(biāo)為目標(biāo)徑向距離。目標(biāo)速度為正，由此可知目標(biāo)在以一定的速度靠近。具體預(yù)設(shè)值與測(cè)量值如表1所示。

圖5 30 s時(shí)目標(biāo)速度和距離的測(cè)量結(jié)果

表1 測(cè)量結(jié)果

通過對(duì)測(cè)量值和預(yù)設(shè)值比較可以看出，測(cè)量結(jié)果均在合理誤差范圍之內(nèi)，基于GSL實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)全向浮標(biāo)信號(hào)處理正確并且有效。與基于DSP平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)代碼相比，基于GSL的代碼規(guī)模減少了約15%；并且在開發(fā)過程中可以充分利用Visual Studio強(qiáng)大的調(diào)試功能，代碼開發(fā)過程調(diào)試難度相對(duì)較小，縮短了開發(fā)周期，提高了效率。

4 結(jié)論

主動(dòng)全向浮標(biāo)能夠測(cè)量目標(biāo)距離和徑向速度，在精準(zhǔn)測(cè)定目標(biāo)的方向上起到很大作用。本文將GSL科學(xué)計(jì)算庫(kù)應(yīng)用到主動(dòng)全向浮標(biāo)信號(hào)的仿真處理中，在CPU平臺(tái)上正確實(shí)現(xiàn)了該算法的處理。結(jié)果顯示，采用該方法減小了調(diào)試難度，縮短了開發(fā)周期。這對(duì)其它聲吶浮標(biāo)的處理仿真有相當(dāng)大的借鑒意義。將GSL科學(xué)計(jì)算庫(kù)應(yīng)用到其它聲吶浮標(biāo)的處理算法中，也是作者下一步的研究方向。

［1］何心怡，邱志明，張春華，等.一種基于三枚主動(dòng)全向浮標(biāo)的水下目標(biāo)定位方法［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（6）:1021-1024.

［2］潘勤升.主動(dòng)全向聲吶浮標(biāo)系統(tǒng)簡(jiǎn)介［J］.聲學(xué)與電子工程，1994，（1）:39-41.

［3］田坦，劉國(guó)枝，孫大軍.聲吶技術(shù)［M］.哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006: 124-126，153-155.

［4］MARK GALASSI，JIM DAVIES，JAMES THEILER.GNU Scientific Library Reference Manual［EB/OL］.［2015-03-03］.www.csse.uwa.edu.au.