基于通用信號處理平臺的聲吶目標模擬器設計

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模擬器設計

盛成明，唐鎖夫,陳 昕

(702廠，上海 200434)

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

信號處理平臺；模擬器；仿真

在聲吶的調試與維修中，通常需要提供特定參數要求的傳感器信號給聲吶設備，以實現對聲吶設備的測試校準等任務。傳統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，一方面建設消聲水池特別是大型消聲水池經費投入很大，而利用試驗平臺在海上進行試驗代價也不小；另一方面由于水聲信道的復雜多變，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長的時間。因此，研制聲吶目標模擬器，經濟、實時、精確地完成對聲吶系統的調試與維修工作，特別是在中修內場修理、現場噪聲測距精度等調校中，已成為新型聲吶設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模擬器設計思路，是針對新型數字聲吶設計一個可聯機工作的數字仿真系統，用于模擬實際聲吶傳感器陣列信號特性，完成對聲吶系統的調試與維修工作，從而提高新型聲吶設備的保障能力。

1 組成與功用

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

模擬器由1個標準信號處理機箱組成，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、衰減器和驅動輸出組成。D/A為100 kHz、12比特數模轉換器；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；驅動輸出的作用提高信號源輸出的驅動能力。需要注意的是衰減器不能采用常規的電阻衰減網絡，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的最高轉換頻率為100 kHz。

1.2DSP陣列

信號源的輸出信號通常都是連續的隨機信號，這就要求信號源能夠實時完成連續的隨機信號樣本點的實時運算。在最高100 kHz的D/A轉換頻率條件下，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生至濾波，將會導致數字運算量急劇增加。為達到信號的實時產生，采用多片DSP構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轉換器，進行數模轉換。

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，實現人機交互方式的信號參數設定；同時還可以將各種不同的信號參數進行E2ROM的固化。這樣信號源可以采用人工設置和已有的設置參數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。由ARM管理下完成的信號參數的選取之后，ARM將這些參數傳輸給DSP陣列。DSP將依據這些參數進行隨機信號樣本點和數字濾波的實時運算。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；只是通過標準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。這樣信號源所產生的信號種類就會增加很多，從理論上講應該是無窮多種。

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，完成信號參數的設置與信號源庫內信號的選擇。系統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 關鍵模塊的實現

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總線結構，完成通用信號處理平臺所需的絕大部分數字信號處理功能。該平臺由若干塊DSP板組成，板與板之間通過Link口連接，形成不同規模的多DSP并行陣列處理系統，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字節的SDRAM和8 M字節的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據通路。

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模轉換功能，支持100 kHz以下可選采樣頻率，轉換精度11 bit，信噪比70 dB。

單板通道數可靈活選擇和啟用。多個D/A板之間采用可配置的主從同步模式，并提供精確統一的同步采樣信號，便于擴充通道數，以備大規模陣列信號產生之需。采樣信號由精確的時鐘綜合芯片產生，可編程配置，頻率分辨率高，可達10 Hz以內，使用方便。

2.3模擬器仿真模塊設計

聲吶目標模擬器主要由目標輻射噪聲仿真模塊、目標發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 目標輻射噪聲仿真模塊

根據通常采用的假設，可以認為艦船噪聲近似服從高斯分布，其統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為對隨機信號相關特性或功率譜特性的仿真。在現代聲吶檢測和識別的過程中，已經利用了艦船噪聲平穩連續譜、低頻線譜和包跡譜(時變調制譜)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)為平穩各態歷經高斯過程的連續譜；GL(f)為在頻率上離散分布的線譜；M(t)M(f)GX(f)為譜級受到周期調制的時變功率譜；M(t)為調制函數，代表連續譜所受到的周期時變調制；M(f)為調制深度譜，反映不同頻率成分所具有的不同調制程度。

目標輻射噪聲的仿真框圖如圖2所示。

圖2 目標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表示的確定性信號，可按函數表達式計算產生。本模擬器采用迭代算法產生各種單、調頻信號，速度快，精度高，通用性好。通過改變迭代參數即可產生出具有不同特性的單、調頻脈沖信號。

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陣形進行模擬，最多能夠對33個水聽器的進行模擬，即依據目標的方向和距離經過反波束形成得到33路水聽器相應的接收信號。對目標入射波采用面波的假設，基陣所收到的目標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，i為第i個陣元；R為目標與陣中距離；Li為第i陣元到陣中距離；θi為目標到第i陣元的方向；c為聲速。

聲吶中通過時延補償實現各基元信號同相疊加的方法，實現對目標的檢測和定向，這是聲吶中的波束形成。在基陣信號模擬中，按平面波假設從1個目標源信號產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基陣結構和目標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，實現各基元信號的粗延。細延通過內插FIR濾波器實現，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，任何聲吶系統的性能都受到背景噪聲的限制，這里背景噪聲主要包括環境噪聲。通常認為海洋環境噪聲為寬帶，每倍頻程下降6 dB，強度由海況決定。同時也設計了從-1～-9 dB譜狀的濾波系數可供顯控選擇。

背景噪聲譜狀控制采用自回歸譜擬合技術實現。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。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 結束語

本聲吶目標模擬器充分利用現代數字信號處理理論及技術，其硬件系統基于高速靈活的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，使之具有仿真建模方法獨特，結構設計新穎，功能齊全、仿真精度高、通道數多、可編程、通用性及可擴展性強等優點，在功能性、實用性和技術指標上達到了設計要求，具有十分廣泛的應用前景。

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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