UUV水聲探測(cè)功能與電磁非觸發(fā)引信融合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙恒陽，高毅欣，高 遠(yuǎn)

(中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部，云南 昆明 650032)

應(yīng)用于UUV(Unmanned Underwater Vehicle，無人潛航器)的水聲探測(cè)功能主要用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搜索、識(shí)別與跟蹤[1]，根據(jù)頻率可以分為低頻、中頻和高頻水聲探測(cè)，根據(jù)工作原理又可以分為主動(dòng)和被動(dòng)水聲探測(cè)。電磁非觸發(fā)引信則是包括魚雷、水雷和攻擊型UUV在內(nèi)的水中兵器根據(jù)預(yù)定條件準(zhǔn)確觸發(fā)和攻擊目標(biāo)的基礎(chǔ)[2]。傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)采用分立式的方法，針對(duì)水聲探測(cè)功能采用單獨(dú)的對(duì)接裝置[3]，通過專用數(shù)字信號(hào)模擬器控制換能器實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)水聲信號(hào)的模擬。針對(duì)電磁非觸發(fā)引信則采用單獨(dú)的電磁耦合裝置[4]，通過專用軟件和電路驅(qū)動(dòng)電磁耦合線圈模擬待測(cè)產(chǎn)品通過目標(biāo)時(shí)的電磁特性。若同時(shí)進(jìn)行水聲探測(cè)功能和非觸發(fā)引信測(cè)試，需要在測(cè)試系統(tǒng)中同時(shí)包含上述兩種測(cè)試設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且操作煩瑣。實(shí)際的測(cè)試工作中，水聲探測(cè)功能和電磁非觸發(fā)引信并不要求在同一時(shí)刻進(jìn)行測(cè)試，并且兩者工作頻率差距不大，故可以共用包括信號(hào)生成在內(nèi)的部分電路，因此理論上存在將兩者的測(cè)試融合在一起的可能性。

目前針對(duì)不同工作頻率的水聲探測(cè)設(shè)備已有專用的融合式目標(biāo)信號(hào)模擬器[5]，在信號(hào)生成部分共用硬件電路，再利用不同中心頻率的帶通濾波器選擇特定頻率的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同頻率水聲信號(hào)的融合測(cè)試。通過分別設(shè)計(jì)針對(duì)水聲探測(cè)信號(hào)和電磁非觸發(fā)引信信號(hào)的帶通濾波器，即可在共用信號(hào)生成電路的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)兩類測(cè)試功能的融合。并且由于水聲探測(cè)器與電磁非觸發(fā)引信的工作頻率差距不大，即便在傳統(tǒng)分立式測(cè)試設(shè)計(jì)中也可以選用相同型號(hào)的主控FPGA芯片、D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器等元器件，因此融合式測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)生成電路可以與傳統(tǒng)分立式設(shè)計(jì)一致，能夠充分利用成熟且穩(wěn)定的分立式設(shè)計(jì)，從而有效保證系統(tǒng)可靠性。

本文設(shè)計(jì)了一種新型UUV水聲探測(cè)功能與電磁非觸發(fā)引信測(cè)試系統(tǒng)，以嵌入式測(cè)試單元為核心，通過DDS(Direct Digital Synthesizer，直接數(shù)字式頻率合成器)方式產(chǎn)生模擬信號(hào)[6]，再通過不同帶寬和驅(qū)動(dòng)能力的硬件電路，分別驅(qū)動(dòng)水聲換能器和電磁耦合線圈，模擬目標(biāo)水聲和電磁特性，實(shí)現(xiàn)水聲探測(cè)功能與電磁非觸發(fā)引信的融合測(cè)試。

1 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、嵌入式測(cè)試單元、換能器和線圈組成，其中嵌入式測(cè)試單元是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的底層核心，由數(shù)字電路和模擬電路兩部分組成，如圖1所示。由于水聲探測(cè)功能和電磁非觸發(fā)引信的測(cè)試并不是同時(shí)進(jìn)行的，因此兩者共用數(shù)字電路部分，僅在模擬電路部分用不同帶寬的濾波電路對(duì)DDS輸出信號(hào)進(jìn)行分離，以簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)字電路

嵌入式測(cè)試單元以Xilinx FPGA芯片XC3S200A-4VQ100C為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、以太網(wǎng)通信、I/O通信、目標(biāo)信號(hào)模擬等功能。采用16 Mbits的Flash芯片M25P16作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中低位4 Mbits用于存儲(chǔ)FPGA配置程序，高位12 Mbits用于記錄臨時(shí)數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)通信采用FPGA配合SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口)以太網(wǎng)控制器W5500實(shí)現(xiàn)，該芯片集成硬件固化的協(xié)議棧、10/100 Mbit/s以太網(wǎng)MAC(Media Access Control，介質(zhì)訪問控制)和PHY(Physical Layer，物理層)，在FPGA控制下實(shí)現(xiàn)UDP通信。此外，數(shù)字電路部分還包括一塊采用I2C接口的數(shù)字溫度傳感器LM75BD，用于監(jiān)控電路板工作環(huán)境溫度。

1.2 模擬電路

模擬部分主要包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、換能器驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)采集調(diào)理電路。數(shù)模轉(zhuǎn)換采用8-bit并行D/A轉(zhuǎn)換器TLC7524CPWR，轉(zhuǎn)換速率為10 MS/s。濾波電路分為換能器1驅(qū)動(dòng)信號(hào)、換能器2驅(qū)動(dòng)信號(hào)、線圈驅(qū)動(dòng)信號(hào)3個(gè)部分，均采用壓控電壓源型二階有源帶通濾波器設(shè)計(jì)。由于有源濾波器輸出具有一定驅(qū)動(dòng)能力，D/A輸出信號(hào)經(jīng)有源濾波后可直接驅(qū)動(dòng)換能器2和線圈。而換能器1為高壓驅(qū)動(dòng)型點(diǎn)聲源換能器[7]，需要將濾波器輸出信號(hào)經(jīng)功率放大器LM1875T驅(qū)動(dòng)，再經(jīng)過1∶10中頻變壓器放大電壓后才能用于換能器驅(qū)動(dòng)，換能器1驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。此外，測(cè)試系統(tǒng)換能器1和換能器2均為收發(fā)一體，能夠接收UUV向外發(fā)射的水聲信號(hào)，通過二極管鉗位及單極運(yùn)放轉(zhuǎn)換為單極電壓信號(hào)[8]，再經(jīng)隔離輸入后觸發(fā)FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，如圖3所示。

圖2 換能器1驅(qū)動(dòng)電路

圖3 水聲換能器觸發(fā)信號(hào)采集電路

1.3 其他

1.3.1 電源

嵌入式測(cè)試單元采用+24 V直流供電，分別通過兩個(gè)隔離DC/DC模塊為數(shù)字部分和模擬部分供電。其中數(shù)字部分將+24 V轉(zhuǎn)換為DC+5 V，再通過LDO(Low Dropout Regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器)轉(zhuǎn)換為DC+1.2 V、DC+2.5 V和DC+3.3 V，其中DC+1.2 V和DC+2.5 V作為FPGA核心電壓源和輔助電壓源，DC+3.3 V作為FPGA的I/O接口模塊、隔離芯片和其他數(shù)字芯片供電電源。模擬部分將+24 V轉(zhuǎn)換為AC±15 V，用作雙極運(yùn)算放大器電路供電電壓，通過參考電壓芯片ADR01BR將AC+15 V轉(zhuǎn)換為AC+10 V，作為D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓，再通過非隔離DC/DC芯片TPS5430將AC+15 V轉(zhuǎn)換為AC+5 V直流電壓，作為隔離芯片和單極運(yùn)算放大器供電電源。

1.3.2 隔離

隔離部分主要包括高速電容隔離和光耦隔離。高速電容隔離采用傳輸速率150 Mbit/s的ISO7240M和1 Mbit/s的ISO7220C實(shí)現(xiàn)。其中，ISO7240M用于FPGA I/O接口與D/A轉(zhuǎn)換器之間8位數(shù)據(jù)接口隔離，ISO7220M用于觸發(fā)信號(hào)與FPGA I/O接口之間的隔離。光耦隔離則采用TLP281-4，用于FPGA I/O接口與被測(cè)UUV產(chǎn)品I/O接口之間的隔離。

2 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件包括主控計(jì)算機(jī)軟件和嵌入式測(cè)試單元軟件兩部分，采用基于網(wǎng)絡(luò)的控制與數(shù)據(jù)采集模式[9]，嵌入式測(cè)試單元根據(jù)指令執(zhí)行水聲探測(cè)功能測(cè)試或電磁非觸發(fā)引信測(cè)試。系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。

圖4 測(cè)試軟件工作流程

嵌入式測(cè)試單元軟件采用Verilog HDL語言進(jìn)行開發(fā)，主要包括以太網(wǎng)通信和目標(biāo)信號(hào)模擬2個(gè)部分。主控測(cè)試軟件基于.NET開發(fā)，包含產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和目標(biāo)仿真器，同時(shí)進(jìn)行嵌入式測(cè)試單元剩余壽命估計(jì)。

2.1 嵌入式測(cè)試單元軟件

2.1.1 以太網(wǎng)通信

嵌入式測(cè)試單元與主控計(jì)算機(jī)之間通過以太網(wǎng)UDP(User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)通信。以太網(wǎng)控制器配置為自適應(yīng)、全雙工模式，F(xiàn)PGA作為SPI主控制器(Master)，以太網(wǎng)控制器作為從器件(Slave)，分別通過初始化、中斷接收和數(shù)據(jù)上傳3個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)控制器狀態(tài)機(jī)

初始化狀態(tài)機(jī)在系統(tǒng)上電后執(zhí)行，在復(fù)位網(wǎng)絡(luò)控制器后設(shè)置MAC、IP、Subnet Mask(子網(wǎng)掩碼)和Gateway(網(wǎng)關(guān))，隨后再設(shè)置Socket0接收、發(fā)送緩存區(qū)的大小。完成初始化后系統(tǒng)以一定時(shí)間間隔執(zhí)行查詢操作，首先讀取Socket0狀態(tài)，若非UDP狀態(tài)則先完成UDP狀態(tài)的設(shè)置，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入中斷接收狀態(tài)機(jī)，將數(shù)據(jù)從接收緩存區(qū)中提取出來并解析，同時(shí)回傳接收完成信息。

2.1.2 目標(biāo)信號(hào)模擬

DDS所需的信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于FPGA內(nèi)部ROM(Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)空間中，根據(jù)所需信號(hào)頻率由FPGA以一定時(shí)間間隔將數(shù)據(jù)發(fā)送到D/A轉(zhuǎn)換器，通過改變讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)頻率變換，再通過乘法器實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)整，轉(zhuǎn)換后經(jīng)有源濾波電路得到符合要求的模擬信號(hào)。具體包括水聲探測(cè)器1測(cè)試、水聲探測(cè)器2測(cè)試和電磁非觸發(fā)引信接收機(jī)測(cè)試3種模式。

水聲探測(cè)器1測(cè)試：通過主控計(jì)算機(jī)可選擇被動(dòng)或主動(dòng)工作模式。被動(dòng)模式下信號(hào)通過功率放大和升壓電路后驅(qū)動(dòng)換能器1，模擬目標(biāo)聲學(xué)特征，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)探測(cè)功能測(cè)試。主動(dòng)模式下由換能器1采集UUV產(chǎn)品主動(dòng)發(fā)射的水聲探測(cè)信號(hào)，將采集到的信號(hào)經(jīng)調(diào)理、隔離后觸發(fā)FPGA，按照設(shè)置的回波延時(shí)等參數(shù)產(chǎn)生目標(biāo)模擬信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)換能器1向被測(cè)產(chǎn)品發(fā)射聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)探測(cè)功能測(cè)試。當(dāng)進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)功能單頻信號(hào)測(cè)試時(shí)，以FPGA工作時(shí)鐘為基準(zhǔn)，對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可計(jì)算得到信號(hào)頻率、脈寬和脈沖間隔；當(dāng)進(jìn)行混頻信號(hào)測(cè)試時(shí)，F(xiàn)PGA將存儲(chǔ)采集到的觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)，通過FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變換)分析獲取信號(hào)頻率特性。

水聲探測(cè)器2測(cè)試：水聲探測(cè)器2僅具備主動(dòng)工作模式，其測(cè)試原理與水聲探測(cè)器1相同。

電磁非觸發(fā)引信接收機(jī)測(cè)試：通過DDS產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的信號(hào)，經(jīng)有源濾波后驅(qū)動(dòng)電磁線圈，向被測(cè)UUV產(chǎn)品電磁接收機(jī)輻射電磁信號(hào)，通過逐級(jí)調(diào)節(jié)信號(hào)幅值觸發(fā)產(chǎn)品引信動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品電磁非觸發(fā)引信接收機(jī)的功能測(cè)試。

2.2 主控計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件

2.2.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫與目標(biāo)仿真器

產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)UUV水聲探測(cè)器頻率、波束寬度，以及電磁非觸發(fā)引信頻率、幅度等參數(shù)。使用時(shí)首先在產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中設(shè)置待測(cè)試產(chǎn)品的探測(cè)器和電磁非觸發(fā)引信接收機(jī)相關(guān)參數(shù)，將其發(fā)送至嵌入式測(cè)試單元后即可進(jìn)行對(duì)應(yīng)功能的測(cè)試。

在進(jìn)行水聲探測(cè)功能測(cè)試時(shí)，在產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中設(shè)置完產(chǎn)品參數(shù)后還需要進(jìn)行目標(biāo)仿真器的設(shè)置。目標(biāo)仿真器采用軟件模擬目標(biāo)相對(duì)于產(chǎn)品的空間和運(yùn)動(dòng)信息，通過配合嵌入式測(cè)試單元的目標(biāo)信號(hào)模擬功能，以半實(shí)物仿真的方式來模擬主動(dòng)搜索模式下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性。由于本設(shè)計(jì)采用的水聲探測(cè)器均為點(diǎn)聲源換能器，因此目標(biāo)模型主要基于速度和距離建立。主動(dòng)搜索模式下目標(biāo)距離模型為

(1)

式中，c為水中聲速；R為目標(biāo)距離；Δτ為目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)UUV換能器的時(shí)延。目標(biāo)速度模型為

(2)

式中,v為產(chǎn)品與目標(biāo)的相對(duì)速度;θ為目標(biāo)位置矢量與UUV航向之間的夾角;f0為發(fā)射信號(hào)的頻率;fd為UUV接收到信號(hào)的多普勒頻移[10]。由于基于點(diǎn)聲源換能器無法模擬目標(biāo)水平或垂直方位信息，因此不能得到目標(biāo)位置矢量與UUV航向之間的夾角θ，產(chǎn)品最終能夠計(jì)算得到的參數(shù)為±vcosθ，即目標(biāo)速度在產(chǎn)品速度方向上的投影。實(shí)際工作時(shí)，仿真系統(tǒng)根據(jù)距離和速度實(shí)時(shí)設(shè)置水聲回波信號(hào)的頻率和延時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)搜索模式下目標(biāo)回波信號(hào)的仿真。

2.2.2 嵌入式測(cè)試單元剩余壽命估計(jì)

RUL(Remaining Useful Life，剩余使用壽命)預(yù)測(cè)一般采用基于物理模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式[11]。由于基于物理模型的方式需建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)故障失效模型，對(duì)于大多數(shù)復(fù)雜電子系統(tǒng)而言較為困難甚至無法實(shí)現(xiàn)，而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式可以從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中獲取與系統(tǒng)健康狀況相關(guān)的特征信息，特別在深度學(xué)習(xí)技術(shù)的幫助下，能夠直接從海量數(shù)據(jù)中獲取更深層次的特征值，進(jìn)而獲得更貼近真實(shí)情況的系統(tǒng)RUL。

在本系統(tǒng)中，嵌入式測(cè)試單元的健康狀況評(píng)估以基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的板卡RUL預(yù)測(cè)值為判斷依據(jù)。通過溫度傳感器實(shí)時(shí)獲取板卡工作環(huán)境溫度，將溫度數(shù)據(jù)加入時(shí)間戳標(biāo)記后上傳到主控計(jì)算機(jī)，再通過基于LSTM(Long Short-Term Memory，長(zhǎng)短期記憶)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估模型，采用直接RUL預(yù)測(cè)方式獲取板卡的RUL值，依此進(jìn)行板卡健康狀況評(píng)估，并且可作為融合式測(cè)試設(shè)備PHM(Prognostic and Health Management，故障預(yù)測(cè)與健康管理)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)[12]。

如圖6所示，在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之前，首先對(duì)該型板卡進(jìn)行熱失效仿真[13]，記錄工作溫度、工作時(shí)間和板卡壽命之間的相關(guān)數(shù)據(jù)。在訓(xùn)練階段，設(shè)計(jì)專門針對(duì)RUL值估計(jì)的LSTM網(wǎng)絡(luò)，將上述仿真獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。該LSTM網(wǎng)絡(luò)采用雙層LSTM結(jié)構(gòu)[14]，優(yōu)化器選擇SGD(Stochastic Gradient Descent，隨機(jī)梯度下降)算法，使用Dropout正則化技術(shù)來限定網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。而對(duì)于隱藏單元數(shù)、學(xué)習(xí)率等超參數(shù)，采用隨機(jī)搜索方式來更快速地收斂到較合適的數(shù)值[15]。在隨后的在線評(píng)估階段，主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集嵌入式測(cè)試單元的溫度數(shù)據(jù)并緩存，經(jīng)預(yù)處理后通過LSTM網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的RUL預(yù)測(cè)值，在主控軟件界面中給予使用者相應(yīng)的提示和使用維護(hù)建議。

圖6 基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的RUL預(yù)測(cè)模型

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過配合實(shí)際的UUV產(chǎn)品，分別對(duì)本系統(tǒng)的水聲探測(cè)和電磁非觸發(fā)引信的測(cè)試性能進(jìn)行驗(yàn)證，并與分立式測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比。圖7(a)為融合測(cè)試模式下水聲探測(cè)器觸發(fā)測(cè)試時(shí)采集到的波形，其中示波器通道1采集到的是UUV產(chǎn)品發(fā)射的連續(xù)正弦信號(hào)，通道2采集到的則是測(cè)試系統(tǒng)觸發(fā)后反射回UUV的連續(xù)脈沖信號(hào)，其中第一個(gè)脈沖與連續(xù)正弦信號(hào)起始點(diǎn)之間的時(shí)間差即水聲探測(cè)器的回波延時(shí)，該測(cè)試波形及結(jié)果與分立式測(cè)試一致。圖7(b)為融合測(cè)試模式下產(chǎn)生的用于驅(qū)動(dòng)電磁耦合線圈的信號(hào)，通過逐步提高信號(hào)幅度來查看UUV引信是否能正常動(dòng)作，該測(cè)試波形及結(jié)果與分立式測(cè)試一致。

圖7 測(cè)試波形

表1中對(duì)比了融合式測(cè)試與分立式測(cè)試的硬件構(gòu)成、測(cè)試周期和測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，融合式測(cè)試與分立式測(cè)試均能準(zhǔn)確完成所有測(cè)試內(nèi)容，證明融合式測(cè)試方案能夠在提高軟硬件集成度的情況下達(dá)到與分立式測(cè)試相同的測(cè)試能力。此外，由于融合式測(cè)試的硬件組成更為簡(jiǎn)單，將分立式模式下對(duì)多套專用測(cè)試設(shè)備的操作簡(jiǎn)化為對(duì)1套融合設(shè)備的操作，使操作步驟得到簡(jiǎn)化，從而縮短了測(cè)試周期，證明其在滿足測(cè)試功能的前提下，能夠取得比分立式測(cè)試更高的測(cè)試效率。

表1 兩種測(cè)試方式對(duì)比

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過融合UUV水聲探測(cè)與電磁非觸發(fā)引信的測(cè)試功能，在保證測(cè)試性能不低于傳統(tǒng)分立式測(cè)試方案的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高了測(cè)試效率。此外，通過基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的嵌入式測(cè)試單元剩余壽命評(píng)估技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)掌控板卡的健康狀況，可用作硬件平臺(tái)日常使用維護(hù)的參考，從而有效提升系統(tǒng)的可維護(hù)性與智能化水平。