一種聲吶用多通道相控掃描信號源的設計

柳赫楠

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一種聲吶用多通道相控掃描信號源的設計

柳赫楠

(上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

隨著聲吶技術的發展，基陣發射波形也多種多樣。為了適應這種多樣化的需求，設計了一種可編程的多通道相控掃描信號源。該信號源采用數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)和現場可編程門陣列(Field- Programmable Gate Array，FPGA)結合的方式，應用DSP計算各個波束的波形數據及其各通道的延時，應用FPGA的精確延時形成各個波束。該設計指向精度高，可生成任意信號波形，任意配置波束組合，可下載并存儲預成波形，對波形加窗函數，可實時對延時進行補償和校準，并能夠多個信號源協同工作。在實際應用中得到了成功驗證，具有很大的改進潛力和廣闊的應用前景。

多通道；信號源；主動聲吶；波束形成

0 引言

主動聲吶發射某種形式的聲信號，利用信號的回波來探測和識別目標，并測量和估計目標的方位、距離、速度等參量[1]。隨著聲吶技術的發展，主動聲吶的發射波形也多種多樣。為提高主動聲吶的作用距離，較精確地確定目標的方位，常用相控陣發射技術，即在聲吶信號源中采用了多波束技術，這些都對聲吶信號源的設計提出了更高的要求。

根據主動聲吶的實際需求，本信號源需要實現的基本功能包括：通過通信接口下載、設置參數和數據；可選擇信號類型，包括正弦波、線性調頻信號、雙曲調頻信號，以及下載的預成的隨機信號等；可設置信號的中心頻率、帶寬、脈寬等參數；可設置波束的數目、各波束的波形類型、方向和順序；可選擇信號的加窗函數；可設置掃描周期；72通道輸出；可設置各個通道的幅度、使能、起止序號；提供同步輸入和同步輸出；可根據搖擺角度數據進行水平波束的補償；可根據船速數據進行多普勒補償；外部可對各個通道進行相位校準；可設置聲速、陣元間距；系統溫度監測。由此，本文提出了一種DSP和FPGA相結合的方法實現多通道相控信號源，并詳細介紹了其軟硬件設計。

1 基本原理

多通道相控掃描信號源即是要完成多通道的發射波束形成。聲吶波束形成的目的，是使多陣元構成的基陣經適當處理得到在預定方向的指向性。對于一個發射系統，具有指向性意味著發射能量可集中在某一個方向，這樣可以用較小的發射功率探測更遠距離的目標。

發射波束形成的基本原理可敘述為，對多元陣陣元發射信號進行時延或相移補償，使對預定方向的發射信號形成同相相加。如圖1所示，有間距為的陣元0和陣元1，發射出射方向為的平面波，若聲速為，信號中心頻率為，則兩個陣元的相對時延，相位差。它們相應的改變即會產生不同的出射角。

當發射通道數量比較大時，每個通道相位差基本都不同，生成相應的數據就需要大量的計算，所以本文通過計算各通道延時來形成波束，只需要生成一個基礎波形。若按信號的中心頻率的1/2波長布陣，則兩個陣元的相對時延，當為20 kHz、指向精度為0.2°時，約為87.3 ns，即發射的延時精度要小于87.3 ns。當有豎直布陣時，橫搖補償即是對每個通道的時延進行校準，使波束保持水平方向。

此次信號源應用于一個豎直3排陣元、水平24列陣元的平面陣。豎直方向的陣元形成的波束用于矯正船的搖擺，使波束保持水平方向，由水平方向的陣元完成各個水平角度波束的掃描。

根據需求，發射信號的總長度相對掃描周期比較小，可以在掃描前根據要求計算好所有波束的波形數據，包括補償船速的多普勒頻移、波束的加窗。形成波束時，依次根據各通道的精確延時形成相應的波束，并可以在每個波束前，根據橫搖角補償各個通道的延時。實現原理如圖2。

2 硬件設計

信號源系統核心由一片浮點DSP和一片FPGA組成。外置大容量RAM和ROM存儲臨時和預置數據，利用RS485或以太網與上位機進行通信，DSP負責接收命令并配置系統狀態、生成和存儲基礎波形數據，FPGA根據配置控制同步和各個數模通道，完成多通道的波束形成。系統結構框圖如圖3所示。

圖3中，DSP為系統主控芯片，選用TI公司的TMS320VC6747浮點DSP[2]，主頻可達300 MHz，片上RAM達128 kB，浮點性能優秀、外部接口豐富、功耗低。它負責對外控制接口和板內控制，以及波束形成參數的計算、原始信號的實時生成。它的EMIFB接口連接DRAM存儲器，通過EMIFA接口連接FPGA的交互空間和FLASH存儲器，并通過UART和EMAC接口連接到RS485和百兆以太網。根據算法，該DSP的處理能力可以達到200 kHz，甚至更高的采樣率。

FPGA負責與發射端的接口，對DSP傳來的原始波形數據和參數，利用精確時延同步形成波束。精確時延頻率為80 MHz(時延精度可到12.5 ns)，內部數據緩存根據200 kHz的信號采樣率，需要至少可以容納72個通道最大延時時的數據量。芯片選用Xilinx公司的XC5VLX50-FFG676[3]，該芯片資源充足、容易進行開發擴展。FPGA實現框圖如圖4所示。

除了讀寫時序，與DSP之間的通信控制主要包括：數據請求中斷INT，波形數據打包傳送，當可用波形數據達到一定低值時則對DSP發送該請求；控制響應CTL，由DSP輸入，有效后則開始波束形成準備，并可以響應同步觸發波束形成；以及使能信號EN和軟復位信號RST，可關斷和重置FPGA。

配置控制根據DSP的設置確定其他模塊的工作方式，如同步方式、通道選通、波束起止等。另外，配置控制要定期通過溫度傳感器接口更新其中的溫度寄存器，以備DSP訪問系統溫度狀態。

同步控制可配置同步源的方向(內部、外部)，同步源的類型(掃描同步、波束同步)，是否輸出，以此來同步波束形成的時序。

波束形成模塊在同步觸發后，根據波束起止參數標定波形數據的頭尾，并根據各個通道時延緩存數據的不同，讀取相應的波形數據到各個通道數據緩存。

3 軟件設計

用戶通過RS485或以太網口下載掃描的所有參數給DSP，DSP判斷是否更新相應配置，沒有更新的按照上次或默認參數配置。根據配置，DSP依順序計算各個波束的基本波形數據，或者讀取存好的預成的波形數據至暫存器，計算每個波束中各個通道的時延參數，更新FPGA控制參數寄存器，包括同步源的配置、掃描的配置、通道的配置、第一波束的延時配置和數據數量。掃描同步信號到來后，傳送給FPGA第一幀波形數據，之后每個數據請求中斷依次傳送一幀數據，并在下一波束數據傳送之前，更新各通道的延時和波束設置，如此直到本次掃描結束。系統工作時序圖如圖5。

圖5中，數據傳輸為DSP傳送一幀數據給FPGA，除掃描同步前的第一幀直接由DSP傳送外，其他皆由FPGA中斷DSP發起傳輸，直到當前掃描各波束數據傳輸結束。當脈寬數據量不大于一幀時，則沒有后續FPGA觸發的數據傳輸。

參數更新窗口為兩幀數據傳輸的間隙時間，其間可以根據更新的橫搖數據，在下一波束形成前，對各通道延時進行補償校準。

參數更新及數據計算窗口時間內，可以根據新接收到的或者掃描期間的命令更新配置參數，并計算波形數據留待波束形成時傳送給FPGA。當收到預成波形數據及其相關配置時，DSP把數據寫入外部存儲器的FLASH中，并進行編號。此時，FPGA不響應也不發起同步信號。

掃描同步、波束同步可以由FPGA根據設置產生，或者由外部同步來觸發。

系統軟件分成DSP和FPGA兩部分。

如前所述，DSP負責接收命令并配置系統狀態、生成和存儲基礎波形數據、計算各波束各通道延時參數等。軟件流程框圖如圖6所示。DSP收到控制命令后，返回溫度及信號源狀態信息，在當前掃描結束后處理命令并計算相關參數。此時若沒有命令更新，則按照上次或默認的參數進行計算和配置。初始化并計算所有的波形數據，進而配置FPGA 參數和頭數據(包括波束數據長度、各通道延時參數、各通道使能等)，然后啟動FPGA開始掃描波束。在波束形成期間，根據FPGA的請求發送數據，并在下一波束前，根據命令參數校正頭數據中的通道延時，讀取溫度寄存器。

FPGA軟件根據DSP傳來的原始波形數據和參數，利用精確的時鐘時延，同步形成波束。流程圖如圖7所示。掃描啟動后，FPGA初始化，在波束同步到來時開始形成波束。每形成一幀的數據量，便給DSP發送中斷信號，請求接收下一幀數據，直到完成當前波束的數據傳輸。在每個波束數據傳輸完成后，更新溫度寄存器并接收DSP下一波束的參數和頭數據，開始下一波束數據的傳輸和波束形成。如此直到當次掃描完成。

4 擴展應用

通道的擴展。當一個信號源通道數量不能滿足布陣要求時，可以用多個信號源共同產生波束。此時，只需要標定一個共同的掃描同步源，其波束同步源可作為校準，并分別指定各個信號源的通道序號，傳送相同信號參數給各信號源，即可實現信號源通道的擴展。

信號發生器。如前所述，通過通信接口下載已經預成好的原始波形數據到信號源的FLASH中，當需要形成該預成信號的波束時，DSP從外部存儲器中按順序實時讀取每幀數據轉給FPGA。多普勒補償在這里不可使用。

信號源的協作。當需要區分不同的發射陣并分時發射時(如左右舷)，可應用一個控制單元，控制各陣的控制命令，并設置信號源的掃描同步為外部同步，各陣基準信號源的波束同步為輸出并返回給控制單元，控制單元觸發掃描同步協調各陣發射。

信號源帶寬的提高及布陣距離的減小。當信號源的中心頻率提高后，相應的布陣距離也會變小，各通道形成信號需要更高的轉換率，形成波束需要更小的延時精度，可通過設置信號生成的采樣率和DA的轉換率來實現。由DSP按照一個相對較低的采樣率生成原始波形數據，再由FPGA在形成波束之前對其按倍數進行升采樣，最后把數據存入DA的輸出緩存中。

現場交互方式。可把DSP芯片更改為OMAP -L137，兩款芯片的管腳及DSP程序兼容，可利用其中的ARM核作為控制，運行Linux系統實現現場輸入輸出。

5 結語

本設計經過實際的應用，不僅滿足了主動聲吶系統的全部要求，提供了靈活的測試、調試方法來檢驗相關系統功能，而且提供了更加靈活的應用和擴展方式，以及足夠的改進空間。具有很強的適應性、很大借鑒意義和廣闊的應用前景。

[1] 田坦, 劉國枝, 孫大軍. 聲吶技術[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社. 2000.

TIAN Tan, LIU Guozhi, SON Dajun. Sonar technology [M]. Harbin: Harbin University Press. 2000.

[2] Texas Instruments Inc. TMS320C6745, TMS320C6747 Fixed- and floating-point digital signal processor[R]. USA: Texas Instruments Inc, 2014. http://www.ti. com.cn/tihome/ cn/docs/ homepage.tsp

[3] Xilinx Inc. Virtex-5 Family Overview[R]. USA: Xilinx Inc., 2015. http://china.xilinx.com

Design of multi-channel phase scanned signal source for sonar system

LIU He-nan

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

With the development of sonar technology, transmitting array signal become more diverse. In order to meet the diversified demands, a programmable multi-channel phase scanned signal source is designed, which is based on using a combination of DSP and FPGA. The DSP calculates the waveform data of each beam and the delay of each channel. The FPGA forms each beam based on accurate delays. This design has more precise directivity, can generate arbitrary signal waveforms and arbitrary beam compositions, can download and store pre-waveform, can generate waveform data multiplied by window function, and can compensate and calibrate delay in real-time. Group signal sources can be combined to achieve collaborative work. The results of practical application demonstrate that the design of signal source has great improvement potential and broad application prospect.

multi-channel; signal source; active sonar; beam form

TB533

A

1000-3630(2016)-03-0276-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.018

2015-09-20;

2015-12-25

柳赫楠(1981－), 男, 吉林松原人, 碩士, 工程師, 研究方向為水聲工程。

柳赫楠, E-mail: lds_hn@163.com