基于并行多單片機(jī)系統(tǒng)的聲吶目標(biāo)信號模擬器設(shè)計(jì)

摘 "要： 為了滿足某型聲吶系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，設(shè)計(jì)了一種并行多單片機(jī)聲吶信號模擬器，該系統(tǒng)以C8051F020為基本處理單元，采用功能強(qiáng)大的LabWindows/CVI語言進(jìn)行可視化編程，可生成三種模式下的聲吶信號。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有控制方式簡便靈活、重組能力強(qiáng)、可靠性高、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，在聲吶信號模擬領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： C8051F020; 多單片機(jī)系統(tǒng); 并行處理; 聲吶模擬器

中圖分類號： TN710?34 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0115?03

Design of sonar target signal simulator based on parallel multi?microcomputer system

ZHAN Chao1， 2， CAI Xin?ju1， LIU Shuang?qing3

（1. Department of Electronic and Information Engineering， Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China;

2. Unit 92515 of PLA， Huludao 125001， China; 3. Unit 91341 of PLA， Donggang 118300， China）

Abstract： In order to meet the certain type of sonar system's needs for debugging and maintenance， a sonar signal simulator with parallel multi?SCM was designed. C8051F020 is taken as the basic processing unit in the system. The powerful LabWindows/CVI is used to conduct visual programming， which can generate the sonar signals in three modes. The results show that the system has advantages of flexible control mode， strong recombination ability， high reliability and short development cycle. It has a wide application prospect in the simulation field of sonar signal.

Keywords： C8051F020; multi?microcomputer system; parallel processing; sonar simulator

0 "引 "言

聲吶（Sonar）原意是聲導(dǎo)航與測距。隨著各國對海洋探索、開發(fā)、爭奪與控制的加劇，聲吶的含義也得到了拓展，以致凡是利用水下聲波作為傳播媒體，以達(dá)到某種目的的設(shè)備和方法都稱之為聲吶;進(jìn)一步將凡是用聲波對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、定位、跟蹤、識別，以及利用水下聲波進(jìn)行通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)、武器的射擊指揮和對抗等方面的水聲設(shè)備皆歸于聲吶這一范疇[1]。聲吶設(shè)備在各種水上活動(dòng)中有著廣泛的應(yīng)用，而在聲吶的應(yīng)用過程中為不斷提高對水下復(fù)雜與安靜目標(biāo)的探測、識別能力，需要不斷提升聲吶設(shè)備的技術(shù)水平、訓(xùn)練水平，并進(jìn)行定期的檢測盒標(biāo)校。聲吶目標(biāo)信號模擬器是完成以上工作的一條有效途徑。本文根據(jù)某航空吊放聲吶工作原理和工作模式，利用C8051系列單片機(jī)設(shè)計(jì)了具有主被動(dòng)水下目標(biāo)信號模擬和海洋噪聲模擬功能的聲吶目標(biāo)信號模擬器，該模擬器具有16路可編程聲吶信號輸出和多路模擬、數(shù)字狀態(tài)信號輸出，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較高的可靠性。

1 "聲吶信號模擬器設(shè)計(jì)

聲吶按工作原理可分為主動(dòng)聲吶和被動(dòng)聲吶兩類。圖1為主動(dòng)聲吶探測目標(biāo)的工作原理示意圖，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的聲信號通過轉(zhuǎn)換開關(guān)、換能器形成聲波信號輻射到水下空間，從水下物體反射回來的聲波信號被按一定規(guī)律布置的基陣接收后通過換能器轉(zhuǎn)換為電信號再經(jīng)過接收機(jī)的放大、濾波、采樣送到信號與信息處理系統(tǒng)，進(jìn)而提取出所需的信息。被動(dòng)聲吶基陣接收到的是水下物體形成的各類聲波信號，信號處理的過程與主動(dòng)聲吶類似。聲吶信號模擬器就是要模擬水下物體形成的主動(dòng)或被動(dòng)聲吶回波信號，用于聲吶設(shè)備的檢測、標(biāo)校和訓(xùn)練，其關(guān)鍵在于根據(jù)基陣排列方式模擬產(chǎn)生聲吶工作所需的陣列信號。圖2是本文聲吶信號模擬器中一個(gè)單元（兩路）聲吶信號合成原理框圖，所模擬的信號主要由目標(biāo)信號和環(huán)境噪聲組成，信號參數(shù)根據(jù)聲吶工作方式和目標(biāo)特性確定，信號產(chǎn)生則采用數(shù)字合成方式實(shí)現(xiàn)，陣列信號可通過多個(gè)單元并行工作組合實(shí)現(xiàn)。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼15T1.tifgt;

圖1 主動(dòng)聲吶工作原理示意圖

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼15T2.tifgt;

圖2 聲吶信號模擬原理框圖

1.1 "常用主動(dòng)聲吶信號的數(shù)學(xué)模型[1]

1.1.1 "單頻矩形脈沖

單頻矩形脈沖的時(shí)間函數(shù)可以表示為：

[st=Aej2πf0t， t∈0，T0 ， 其他] （1）

單頻矩形脈沖信號的實(shí)部波形如圖3所示。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼15T3.tifgt;

圖3 單頻矩形脈沖信號的實(shí)部波形圖

1.1.2 "線性調(diào)頻脈沖信號

線性調(diào)頻脈沖信號（LFM）的時(shí)間函數(shù)可以表示為：

[st=Aexpj2πf0t+πkt2 ， t∈-T/2，T/20， " " " " " " " " " " " " 其他] "（2）

式中：[k=FT]為信號的頻率變化率，或稱為調(diào)頻斜率，[F]為信號的調(diào)頻寬度。波形圖和瞬時(shí)頻率見圖4。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼15T4.tifgt;

圖4 線性調(diào)頻脈沖信號的波形圖和瞬時(shí)頻率

1.2 "被動(dòng)聲吶信號的數(shù)學(xué)模型

艦船、潛艇和魚雷所輻射的噪聲，是被動(dòng)聲吶系統(tǒng)賴以探測、跟蹤目標(biāo)的信號，水中航行艦船的輻射噪聲通常由以下三部分組成：機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲、水動(dòng)力噪聲，其輻射噪聲譜比較復(fù)雜，一般由連續(xù)譜和線譜組成，如圖5所示。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼15T5.tifgt;

圖5 典型艦船輻射噪聲功率譜的示意圖

不同艦船噪聲線譜的頻率和幅值并不相同，這些線譜是識別艦船類型的主要特征[2]。只考慮線譜，用周期信號作為線譜的模型，其表達(dá)式為：

[g（t）=l（t）+i=1nxi（t）， "xit=j=1NiAijtcos（2πjfit）] （3）

式中：[gt]為線譜噪聲;[l（t）]為寬平穩(wěn)噪聲;[xit]為各線譜噪聲源;[Aijt]為第[i]個(gè)噪聲源的[j]階諧波的對應(yīng)幅度;[Ni]為第[i]個(gè)線譜噪聲源的最大諧波階數(shù)[3]。

1.3 海洋環(huán)境噪聲的數(shù)學(xué)模型

海洋環(huán)境噪聲，也稱自然噪聲，是水聲信道中的一種干擾背景場[4]。它既不是由于水聽器及其固有安裝方式引起的“自噪聲”，也不是某些局部的可辨別的噪聲源產(chǎn)生的噪聲，它是除去所有可分辨的噪聲源后所“剩下”的那一部分。海洋噪聲是各種噪聲源的組合產(chǎn)生的，主要的噪聲源有：潮汐以及波浪的水靜壓力效應(yīng)、海洋湍流、波浪非線性互作用、行船、地震擾動(dòng)、海面波浪、熱噪聲等，這里考慮可以用白噪聲來模擬海洋環(huán)境噪聲[5]。

2 "聲吶模擬器的軟、硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 "聲吶模擬器主要指標(biāo)

根據(jù)需要確定的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1） 頻率范圍：1.5～3.5 kHz;

（2） 調(diào)頻帶寬：-70～70 Hz;

（3） 信號波形：脈沖或連續(xù)波;

（4） 脈沖寬度：10 ms～2 s;

（5） 信號幅度：1～100 mV;

（6） 輸出相位控制：0.1°。

其他如輸出阻抗、傳感器信號、數(shù)字接口信號等未列出。

2.2 "信號產(chǎn)生單元計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)確定的技術(shù)指標(biāo)和功能，選取了以C8051F020單片機(jī)為核心的信號產(chǎn)生與調(diào)理單元設(shè)計(jì)方案，通過合理的程序設(shè)計(jì)，每單元產(chǎn)生兩路模擬信號輸出，圖6為單路信號產(chǎn)生與調(diào)理原理框圖，INT0為外部中斷，由外部數(shù)字控制單元電路產(chǎn)生，使各單元同步工作，中斷周期可根據(jù)輸出信號頻率進(jìn)行設(shè)置。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼15T6.tifgt;

圖6 信號產(chǎn)生單元原理框圖

圖中，12位DAC輸出信號幅度最大值為1.2 V;分壓網(wǎng)絡(luò)采用精密電子與繼電器設(shè)計(jì)，四檔1：0.1：0.01：0.001;LPF為有源低通濾波器，輸出驅(qū)動(dòng)電路采用超低噪聲運(yùn)算放大器OPA211，其在1 kHz處的噪聲系數(shù)為1.1 nV/[Hz]，使輸出滿足負(fù)載匹配要求。

在產(chǎn)生信號采用查表法，靜態(tài)表存儲(chǔ)在單片機(jī)的Flash中，運(yùn)行時(shí)根據(jù)設(shè)置的輸出信號幅度（或功率），計(jì)算分壓比和DAC輸出信號系數(shù)，按該系數(shù)計(jì)算運(yùn)行波形庫，使DAC的輸出范圍控制在1～0.1 V，末端信號輸出范圍滿足0.1～0.001 V要求。采用這種設(shè)計(jì)方法能夠使單片機(jī)具有較高的運(yùn)行效率、輸出信號具有非常低的相位噪聲。

在查表時(shí)，根據(jù)設(shè)定的信號頻率和相位，計(jì)算起始地址和步長，當(dāng)中斷到來時(shí)根據(jù)地址查表并將對應(yīng)單元的數(shù)據(jù)加載到DAC產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，該方法不涉及乘除法運(yùn)算，使輸出信號的具有較高的頻率上限。當(dāng)產(chǎn)生調(diào)頻信號時(shí)，按式（2）計(jì)算調(diào)頻項(xiàng)步長，設(shè)采樣周期為Ts、調(diào)頻周期為T，調(diào)頻信號斜率為k，則調(diào)頻增量可按公式（4）進(jìn)行迭代計(jì)算：

[SLFMn=0 " ， n=0SLFM（n-1）+K02（n-1）+1， n=1，2，…，N-1] （4）

式中： [K0=πkTs2];N=[TTs]。

在參數(shù)噪聲時(shí)，采樣M?序列方法產(chǎn)生隨機(jī)白噪聲，與查表輸出信號合成后一同加載到DAC。

2.3 "系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

模擬器的系統(tǒng)組成原理框圖如圖7所示，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用PC/104嵌入式計(jì)算機(jī)，控制程序采用LabWindows/CVI設(shè)計(jì)，控制界面如圖8所示。系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過RS 232總線向信號產(chǎn)生單元和數(shù)字控制單元按一定的協(xié)議發(fā)布命令，接收單元通過對接收的命令解析后確定是否是發(fā)給自己的命令，若是則按命令要求進(jìn)行完成規(guī)定的任務(wù)。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼15T7.tifgt;

圖7 系統(tǒng)組成原理框圖

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼15T8.tifgt;

圖8 模擬器上層程序交互界面

3 "結(jié) "語

本文介紹了一種基于C8051F020單片機(jī)的聲吶信號模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，該方法具有良好的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)聲吶工作方向和基陣類型靈活控制信號參數(shù)，產(chǎn)生需要的目標(biāo)回波信號和各種傳感器與狀態(tài)信號。

參考文獻(xiàn)

[1] 田坦.聲吶技術(shù)[M].2版.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.

[2] 邢國強(qiáng)，孫超，唐建生，等.典型艦船輻射噪聲的時(shí)域模擬[J].魚雷技術(shù)，2005，13（4）：41?42.

[3] 李凱，黃建國.水下航行體輻射噪聲的線譜分析及建模[J].聲學(xué)技術(shù)，2007，26（6）：1113?1114.

[4] 劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1993.

[5] R J 尤立克.水聲原理[M].洪申，譯.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990.

[6] 江先軍.一種通用聲吶信號源的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（11）：68?71.