一种基于分层级连DSP阵列技术的电子浮标设计

    摘要：提出了一种基于DSP技术、GPS技术和无线通讯技术的电子浮标设计方案。介绍了浮标的组成和工作原理，重点分析了DSP处理器的应用和信号级连处理算法。

    关键词：DSP GPS 电子浮标 无线通讯

和其他水下目标探测装备（如艇壳声纳、拖线阵声纳等）相比，电子浮标由于没有本舰噪声的影响，对水下目标的探测灵敏度高；此外它可通过飞机布放和回收，具有搜索面积大、侦察效率高、使用方便等优点，已成为侦察、反潜领域的重要装备。而将多个浮标组成网络，就可对大范围海域进行监视。目前，作为数字化海洋的重要组成部分，电子浮标已成 世界海洋国家不惜巨资进行开发的水下目标监测装备。

本文介绍了一种基于分层级连DSP阵列技术的电子浮标设计方案，该方案通过微弱信号检测技术来提取水下目标的声信号；通过差分GPS技术来给浮标进行高精度实时定位；通过DSP技术进行大基阵数据处理；通过无线通讯技术进行数据传输。该系统可较好地在大范围海域对水下目标进行检测、识别、定位和跟踪。

1 系统设计思想

为了使系统实现简单、通用性和可移植性强，采用模块化、分层级连化思想进行系统的结构和软件硬件设计；为了使系统满足应用灵活和应用范围扩展性的要求，在总线设计、软硬件设计、结构设计等方面严格依据标准化规范；为了适应海洋恶劣的操作环境，在结构和硬件设计中充分借鉴便携式和插件式设计方法，同时考虑使系统满足体积小、重量轻和功耗低等实际需要。

2 系统设计方案

本文设计的电子浮标系统是以DSP芯片为中心的全数字、模块化结构，它主要由干端和湿端两大部分组成，两部分之间的信息通过无线数据链路完成。整个系统的工作模型如图1所示。湿端是由电子浮标和之相连的水听器阵组成，主要完成对目标声信号的检测和先期处理；干端即监测中心，一般安装在浮标附近的移动或固定平台上，主要完成对湿端传来的目标数据进行存储，实现对目标监视跟踪等功能，它由高性能工控机、无线通讯器和数字录音机等组成。干扰可通过无线指令对湿端浮标进行状态（工作状态/待机状态）切换、水听器阵收放操作以及各种算法相关参数设置等控制。本文主要介绍湿端电子浮标信号处理方面的设计方法，有关浮标的浮力结构、配重等方面的设计以及干端部分的设计方法从略，请参见文献[1]。

2.1 电子浮标的组成和工作原理

电子浮标的主要功能是检测水下目标的微弱声信号，通过并行数字信号处理器对信号延时进行估计，以此对目标进行定位。其组成模块示意图如图2所示。它的基本工作原理是当电子标接收到干端启动指令后，就实时通过水听器阵提取声信号。该信号经过前置低噪放大、滤波和A/D变换后，进行数字信号相关处理而获得精确的信号延时估计值，进而对目标进行定位解算；电子浮标通过GPS接收机给水听器阵同步定时；目标原始数字信息和解算后的位置信息经过编码处理通过无线数传模块传输到干端监浊中心进行存储和目标监视、跟踪及识别。

2.1.1 前置预处理模块

为了能够实现目标定位功能，水听器阵选用合成系统限公司的T122侦察水听器阵，该阵由2×6个高灵敏度的水听器基元配置成垂直阵和水平阵形成，可在宽频带内产生固定的波束角度。由于水下目标的声信号往往很弱（0级海况下，在水听器接收端的电压约为几微伏），而海洋的环境噪声很强，水听器输入端的信噪比很低，为了进行A/D转换，在前置预处理模块中必须对信号进行放大和滤波处理。前置预处理模块的组成框图如图3所示。采用分级滤波和可变倍数放大是为了逐步消除海洋噪声干扰并提取40Hz～15kHz的目标信号；采用AGC放大是为了将信号的动态限制在-5V～+5V范围内，从而满足进行A/D转换的需要。这里AGC自身的动态范围为40dB；A/D采用并行32通道16bit插件，最高采样率为40kHz，其输出的数字信号进入水声信号处理模块进行进一步处理。

2.1.2 DSP阵列模块

与其他声纳信号处理过程类似，电子浮标也涉及大量数据的实时处理。选用信号处理器时必须兼顾数据处理的复杂性和实时性要求，而DSP微处理器能够高效实时地完成声纳信号处理顺的波束形成、数字滤波、线谱增强、数值内插等多种复杂的数值运算，而且它体积小，应用灵活。因此本方案选用了DSP芯片作为电子浮标的数据处理中心。由于通过水听器阵提取的目标数据巨大，并需要进行FFT和ZOOM-FFT等复杂的蝶形运算，采用高性能的DSP处理器才能更好地满足实时性处理的需要。本文选用AD公司新近推出的超高性能并行ADSP21160微处理器[3]，它具有单指令多数据流的并行处理结构。该处理器比目前声纳设计中常用的ADSP21060和TMS320C40在性能上有较大的提高[3]。ADSP21160的时钟是ADSP21060的2.5倍，高达100MHz，有两个并行的ADSP21060核，运算速度是ADSP21060的5倍；而且ADSP21160的14个DMA通道各自独立，具有4MB内部存储空间。

考虑A/D采样率和ADSP21160的处理能力，仅用单片DSP对目标数据实时进行多种复杂运算会超出它的处理能力。对电子浮标而言信号处理过程可分解为若干个级连的分功能处理过程，而每个分功能处理过程，又可以分解为进行的子处理过程（主要包括数据滤波、波束形成、延时测量、后置处理四个子处理过程），这些子处理过程用单片DSP来完成。因此必须用多片DSP来进行信号处理才能满足大数据量和复杂运行的需要。而且电子浮标各个子处理过程之间数据传输具有较强的空间范围限制，在时间上也较为规律，因此本文采用分层级连DSP阵列结构进行数据处理，其硬件组成结构如图4所示。最高层的DSP负责协调整个系统的工作，并和GPS接收机、无线数值模块通过串口通讯；下一面的4个模块在电路组成上模块通过串口通讯；下一层的4个模块在电路组成上相同，其中，EPROM是程序存储器，高速RAM用来暂存数据，数据缓冲和译码等由一片EPLD可编程逻辑器件实现，模块间通讯都通过双口RAM来实现。1级模块用来数字滤波，2级模块用来波束形成，3级模块用来信号延时测量和目标位置解算，4级模块用来后置处理。四个模块采用信号流水级连形成，统一受最高层DSP控制，共同构成了既紧密耦合又相互独立，数据传送效率高的级连数据处理系统。

信号处理模块主要涉及基于DSP硬件平台的各种算法实现，该模块的组成如图5所示。A/D变换后的数字信号，先经过频带可变的128点FIR数字滤波后进行存储器动态滤束形成。约束形成是水声信号处理中的常用技术[1]，它一方面可提高信噪比，另一方面可使水听器阵具有空间选择性，从而抑制其他方向来的相关干扰；完成波束形成后为了便于显示处理和适应显示器的灰度要求，需要进行后置能量积累和数据的动态范围压缩处理。这里的后置积累采用绝对值检波分级处理，采用分级的目的是保证输出具有连续、调和的灰度，动态范围压缩就是将数据由16位压缩到8位，可采用丢掉低8位的线性压缩方式和对数压缩的非线性压缩方式；在进行后置处理的同时，利用波束形成后的数据进行信号延时测量。为了提高延时处理的精度，这里采用粗测和精测两个过程，其中精测采用自适应噪声抵销法。该方法主要思想是通过LMS算法调节由多节抽头延迟线构成的自适应滤波器的权系数，然后进行迭代平均而得到精度优于40μs的粗延时估计。在粗估计的基础上采用互谱技术、二次相关技术和极性相关技术进行延时精测，这里采用64点互谱运算和逆序方式的极性相关方式，通过延时精测可使延时的精度优于25μs；得到不同水听器的精确延时后即可通过经典的3点阵法测距。

2.1.4 格式转换和无线数传模块

这两个模块主要完成电子浮标与干端监测中心的数据通信。格式转换是为了降低传输误码率而对所的数据通信。格式转换是为了降低传输误码率而对所传输的数据进行编码和译码，这里采用（2，1，9）扩展卷积码的编码和译码方式。这种码能在译码约束长度20个码元内，纠正2个码元的随机错误和4个码元的突发错误。为了能实时传送电子浮标的显示数据和方位数据，这里采用码速率高达727Kbps的WDC无线数字模块，该模块收发频率在336MHz～344MHz可选，输出功率15W，覆盖范围大于15km。

2.1.5 GPS接收机和时间同步模块

为给电子浮标自身实时定位并给水听器阵延时测量进行时间同步，这里采用具有精密授时功能的GPS接收机—JAVAD公司的JGG20.该接收机不仅有高稳定度的5MHz、10MHz、20MHz频标输出，而且还有定时精度优于25ns的1PPS输出。本系统还从GPS接收机的输出信息中实时提取电子浮标的三维位置、速度等信息，利用该信息便可维导出目标的大地坐标。

3 系统工作过程

当对水下运动目标进行监测时，工作母船航行至监测海域某特定位置，并将电子浮标投入海中。系统启动后，最高层DSP先进行程序装载并将系统初始化，设置下层各级模块的初始化命令字和初始化参数并依次中断下层各级模块的DSP，下层模块的DSP依次进入中断服务程序并根据命令字，确定程序如何装载以及参数如何设置，然后来装载程序和设置参数。该过程完成后，下层DSP通过某一输出口通知上层DSP并退出中断。各部分都设置好后，高层DSP就启动A/D，系统进入工作状态。信号处理过程也采用中断方式进行，前一级处理完成就中断下一级处理模块进行工作。需要注意的是在程序装载完成后，为了克服温跃层的影响，要根据该海域的水深及当时的海详状况，干端通过指令控制电子浮标的传动机构将水听器阵放入合适的深度。当运动目标开始运动后，在干端的显示屏上即可观察到目标的运动轨迹，并可对目标进行识别和跟踪，同时听测系统可监听到运动目标的辐射噪声。目标运动轨迹也同时由存储打印机实施硬拷贝。

本文设计的电子浮标是综合微弱信号检测、DSP阵列技术、GPS技术和无线数传技术等形成的新型水下目标监测设备，具有对目标检测、定位、识别和跟踪等功能，有广泛的应用前景。