UUV水聲探測功能與電磁非觸發引信融合測試系統設計

趙恒陽，高毅欣，高 遠

(中國船舶重工集團公司第705研究所昆明分部，云南 昆明 650032)

應用于UUV(Unmanned Underwater Vehicle，無人潛航器)的水聲探測功能主要用于實現目標搜索、識別與跟蹤[1]，根據頻率可以分為低頻、中頻和高頻水聲探測，根據工作原理又可以分為主動和被動水聲探測。電磁非觸發引信則是包括魚雷、水雷和攻擊型UUV在內的水中兵器根據預定條件準確觸發和攻擊目標的基礎[2]。傳統的測試系統采用分立式的方法，針對水聲探測功能采用單獨的對接裝置[3]，通過專用數字信號模擬器控制換能器實現對目標水聲信號的模擬。針對電磁非觸發引信則采用單獨的電磁耦合裝置[4]，通過專用軟件和電路驅動電磁耦合線圈模擬待測產品通過目標時的電磁特性。若同時進行水聲探測功能和非觸發引信測試，需要在測試系統中同時包含上述兩種測試設備，系統結構復雜且操作煩瑣。實際的測試工作中，水聲探測功能和電磁非觸發引信并不要求在同一時刻進行測試，并且兩者工作頻率差距不大，故可以共用包括信號生成在內的部分電路，因此理論上存在將兩者的測試融合在一起的可能性。

目前針對不同工作頻率的水聲探測設備已有專用的融合式目標信號模擬器[5]，在信號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，實現不同頻率水聲信號的融合測試。通過分別設計針對水聲探測信號和電磁非觸發引信信號的帶通濾波器，即可在共用信號生成電路的基礎上實現兩類測試功能的融合。并且由于水聲探測器與電磁非觸發引信的工作頻率差距不大，即便在傳統分立式測試設計中也可以選用相同型號的主控FPGA芯片、D/A轉換器、運算放大器等元器件，因此融合式測試系統的信號生成電路可以與傳統分立式設計一致，能夠充分利用成熟且穩定的分立式設計，從而有效保證系統可靠性。

本文設計了一種新型UUV水聲探測功能與電磁非觸發引信測試系統，以嵌入式測試單元為核心，通過DDS(Direct Digital Synthesizer，直接數字式頻率合成器)方式產生模擬信號[6]，再通過不同帶寬和驅動能力的硬件電路，分別驅動水聲換能器和電磁耦合線圈，模擬目標水聲和電磁特性，實現水聲探測功能與電磁非觸發引信的融合測試。

1 硬件設計

測試系統由主控計算機、嵌入式測試單元、換能器和線圈組成，其中嵌入式測試單元是整個測試系統的底層核心，由數字電路和模擬電路兩部分組成，如圖1所示。由于水聲探測功能和電磁非觸發引信的測試并不是同時進行的，因此兩者共用數字電路部分，僅在模擬電路部分用不同帶寬的濾波電路對DDS輸出信號進行分離，以簡化硬件電路設計。

圖1 系統硬件結構

1.1 數字電路

嵌入式測試單元以Xilinx FPGA芯片XC3S200A-4VQ100C為核心，實現數據記錄、以太網通信、I/O通信、目標信號模擬等功能。采用16 Mbits的Flash芯片M25P16作為數據存儲器，其中低位4 Mbits用于存儲FPGA配置程序，高位12 Mbits用于記錄臨時數據。以太網通信采用FPGA配合SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設接口)以太網控制器W5500實現，該芯片集成硬件固化的協議棧、10/100 Mbit/s以太網MAC(Media Access Control，介質訪問控制)和PHY(Physical Layer，物理層)，在FPGA控制下實現UDP通信。此外，數字電路部分還包括一塊采用I2C接口的數字溫度傳感器LM75BD，用于監控電路板工作環境溫度。

1.2 模擬電路

模擬部分主要包括數模轉換電路、濾波電路、換能器驅動電路和信號采集調理電路。數模轉換采用8-bit并行D/A轉換器TLC7524CPWR，轉換速率為10 MS/s。濾波電路分為換能器1驅動信號、換能器2驅動信號、線圈驅動信號3個部分，均采用壓控電壓源型二階有源帶通濾波器設計。由于有源濾波器輸出具有一定驅動能力，D/A輸出信號經有源濾波后可直接驅動換能器2和線圈。而換能器1為高壓驅動型點聲源換能器[7]，需要將濾波器輸出信號經功率放大器LM1875T驅動，再經過1∶10中頻變壓器放大電壓后才能用于換能器驅動，換能器1驅動電路如圖2所示。此外，測試系統換能器1和換能器2均為收發一體，能夠接收UUV向外發射的水聲信號，通過二極管鉗位及單極運放轉換為單極電壓信號[8]，再經隔離輸入后觸發FPGA實現對應功能，如圖3所示。

圖2 換能器1驅動電路

圖3 水聲換能器觸發信號采集電路

1.3 其他

1.3.1 電源

嵌入式測試單元采用+24 V直流供電，分別通過兩個隔離DC/DC模塊為數字部分和模擬部分供電。其中數字部分將+24 V轉換為DC+5 V，再通過LDO(Low Dropout Regulator，低壓差線性穩壓器)轉換為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、隔離芯片和其他數字芯片供電電源。模擬部分將+24 V轉換為AC±15 V，用作雙極運算放大器電路供電電壓，通過參考電壓芯片ADR01BR將AC+15 V轉換為AC+10 V，作為D/A轉換器的參考電壓，再通過非隔離DC/DC芯片TPS5430將AC+15 V轉換為AC+5 V直流電壓，作為隔離芯片和單極運算放大器供電電源。

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實現。其中，ISO7240M用于FPGA I/O接口與D/A轉換器之間8位數據接口隔離，ISO7220M用于觸發信號與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UUV產品I/O接口之間的隔離。

2 軟件設計

測試系統軟件包括主控計算機軟件和嵌入式測試單元軟件兩部分，采用基于網絡的控制與數據采集模式[9]，嵌入式測試單元根據指令執行水聲探測功能測試或電磁非觸發引信測試。系統軟件工作流程如圖4所示。

圖4 測試軟件工作流程

嵌入式測試單元軟件采用Verilog HDL語言進行開發，主要包括以太網通信和目標信號模擬2個部分。主控測試軟件基于.NET開發，包含產品數據庫和目標仿真器，同時進行嵌入式測試單元剩余壽命估計。

2.1 嵌入式測試單元軟件

2.1.1 以太網通信

嵌入式測試單元與主控計算機之間通過以太網UDP(User Datagram Protocol，用戶數據報協議)通信。以太網控制器配置為自適應、全雙工模式，FPGA作為SPI主控制器(Master)，以太網控制器作為從器件(Slave)，分別通過初始化、中斷接收和數據上傳3個狀態機實現以太網通信功能，如圖5所示。

圖5 網絡控制器狀態機

初始化狀態機在系統上電后執行，在復位網絡控制器后設置MAC、IP、Subnet Mask(子網掩碼)和Gateway(網關)，隨后再設置Socket0接收、發送緩存區的大小。完成初始化后系統以一定時間間隔執行查詢操作，首先讀取Socket0狀態，若非UDP狀態則先完成UDP狀態的設置，當接收到數據時進入中斷接收狀態機，將數據從接收緩存區中提取出來并解析，同時回傳接收完成信息。

2.1.2 目標信號模擬

DDS所需的信號數據存儲于FPGA內部ROM(Read Only Memory，只讀存儲器)空間中，根據所需信號頻率由FPGA以一定時間間隔將數據發送到D/A轉換器，通過改變讀寫數據的時間間隔實現頻率變換，再通過乘法器實現幅值調整，轉換后經有源濾波電路得到符合要求的模擬信號。具體包括水聲探測器1測試、水聲探測器2測試和電磁非觸發引信接收機測試3種模式。

水聲探測器1測試：通過主控計算機可選擇被動或主動工作模式。被動模式下信號通過功率放大和升壓電路后驅動換能器1，模擬目標聲學特征，實現被動探測功能測試。主動模式下由換能器1采集UUV產品主動發射的水聲探測信號，將采集到的信號經調理、隔離后觸發FPGA，按照設置的回波延時等參數產生目標模擬信號，通過驅動換能器1向被測產品發射聲信號，實現主動探測功能測試。當進行主動探測功能單頻信號測試時，以FPGA工作時鐘為基準，對觸發信號進行計數，可計算得到信號頻率、脈寬和脈沖間隔；當進行混頻信號測試時，FPGA將存儲采集到的觸發信號數據，通過FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變換)分析獲取信號頻率特性。

水聲探測器2測試：水聲探測器2僅具備主動工作模式，其測試原理與水聲探測器1相同。

電磁非觸發引信接收機測試：通過DDS產生對應頻率的信號，經有源濾波后驅動電磁線圈，向被測UUV產品電磁接收機輻射電磁信號，通過逐級調節信號幅值觸發產品引信動作，從而實現對產品電磁非觸發引信接收機的功能測試。

2.2 主控計算機測試軟件

2.2.1 產品數據庫與目標仿真器

產品數據庫主要存儲UUV水聲探測器頻率、波束寬度，以及電磁非觸發引信頻率、幅度等參數。使用時首先在產品數據庫中設置待測試產品的探測器和電磁非觸發引信接收機相關參數，將其發送至嵌入式測試單元后即可進行對應功能的測試。

在進行水聲探測功能測試時，在產品數據庫中設置完產品參數后還需要進行目標仿真器的設置。目標仿真器采用軟件模擬目標相對于產品的空間和運動信息，通過配合嵌入式測試單元的目標信號模擬功能，以半實物仿真的方式來模擬主動搜索模式下目標的運動特性。由于本設計采用的水聲探測器均為點聲源換能器，因此目標模型主要基于速度和距離建立。主動搜索模式下目標距離模型為

(1)

式中，c為水中聲速；R為目標距離；Δτ為目標回波信號到達UUV換能器的時延。目標速度模型為

(2)

式中,v為產品與目標的相對速度;θ為目標位置矢量與UUV航向之間的夾角;f0為發射信號的頻率;fd為UUV接收到信號的多普勒頻移[10]。由于基于點聲源換能器無法模擬目標水平或垂直方位信息，因此不能得到目標位置矢量與UUV航向之間的夾角θ，產品最終能夠計算得到的參數為±vcosθ，即目標速度在產品速度方向上的投影。實際工作時，仿真系統根據距離和速度實時設置水聲回波信號的頻率和延時，從而實現對主動搜索模式下目標回波信號的仿真。

2.2.2 嵌入式測試單元剩余壽命估計

RUL(Remaining Useful Life，剩余使用壽命)預測一般采用基于物理模型或數據驅動的方式[11]。由于基于物理模型的方式需建立準確的系統故障失效模型，對于大多數復雜電子系統而言較為困難甚至無法實現，而基于數據驅動的方式可以從監測數據中獲取與系統健康狀況相關的特征信息，特別在深度學習技術的幫助下，能夠直接從海量數據中獲取更深層次的特征值，進而獲得更貼近真實情況的系統RUL。

在本系統中，嵌入式測試單元的健康狀況評估以基于數據驅動的板卡RUL預測值為判斷依據。通過溫度傳感器實時獲取板卡工作環境溫度，將溫度數據加入時間戳標記后上傳到主控計算機，再通過基于LSTM(Long Short-Term Memory，長短期記憶)網絡的評估模型，采用直接RUL預測方式獲取板卡的RUL值，依此進行板卡健康狀況評估，并且可作為融合式測試設備PHM(Prognostic and Health Management，故障預測與健康管理)系統的重要基礎[12]。

如圖6所示，在訓練網絡參數之前，首先對該型板卡進行熱失效仿真[13]，記錄工作溫度、工作時間和板卡壽命之間的相關數據。在訓練階段，設計專門針對RUL值估計的LSTM網絡，將上述仿真獲得的數據進行預處理后用于訓練網絡。該LSTM網絡采用雙層LSTM結構[14]，優化器選擇SGD(Stochastic Gradient Descent，隨機梯度下降)算法，使用Dropout正則化技術來限定網絡的復雜度。而對于隱藏單元數、學習率等超參數，采用隨機搜索方式來更快速地收斂到較合適的數值[15]。在隨后的在線評估階段，主控計算機實時采集嵌入式測試單元的溫度數據并緩存，經預處理后通過LSTM網絡，計算得到對應的RUL預測值，在主控軟件界面中給予使用者相應的提示和使用維護建議。

圖6 基于LSTM網絡的RUL預測模型

3 實驗驗證

通過配合實際的UUV產品，分別對本系統的水聲探測和電磁非觸發引信的測試性能進行驗證，并與分立式測試方法進行對比。圖7(a)為融合測試模式下水聲探測器觸發測試時采集到的波形，其中示波器通道1采集到的是UUV產品發射的連續正弦信號，通道2采集到的則是測試系統觸發后反射回UUV的連續脈沖信號，其中第一個脈沖與連續正弦信號起始點之間的時間差即水聲探測器的回波延時，該測試波形及結果與分立式測試一致。圖7(b)為融合測試模式下產生的用于驅動電磁耦合線圈的信號，通過逐步提高信號幅度來查看UUV引信是否能正常動作，該測試波形及結果與分立式測試一致。

圖7 測試波形

表1中對比了融合式測試與分立式測試的硬件構成、測試周期和測試結果。實驗結果表明，融合式測試與分立式測試均能準確完成所有測試內容，證明融合式測試方案能夠在提高軟硬件集成度的情況下達到與分立式測試相同的測試能力。此外，由于融合式測試的硬件組成更為簡單，將分立式模式下對多套專用測試設備的操作簡化為對1套融合設備的操作，使操作步驟得到簡化，從而縮短了測試周期，證明其在滿足測試功能的前提下，能夠取得比分立式測試更高的測試效率。

表1 兩種測試方式對比

4 結束語

本設計通過融合UUV水聲探測與電磁非觸發引信的測試功能，在保證測試性能不低于傳統分立式測試方案的基礎上簡化了系統結構、提高了測試效率。此外，通過基于LSTM網絡的嵌入式測試單元剩余壽命評估技術，能夠實時掌控板卡的健康狀況，可用作硬件平臺日常使用維護的參考，從而有效提升系統的可維護性與智能化水平。