本文介紹了一種基于分層級連DSP陣列技術(shù)的電子浮標(biāo)設(shè)計方案，該方案通過微弱信號檢測技術(shù)來提取水下目標(biāo)的聲信號;通過差分GPS技術(shù)來給浮標(biāo)進行高精度實時定位;通過DSP技術(shù)進行大基陣數(shù)據(jù)處理;通過無線通訊技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可較好地在大范圍海域?qū)λ履繕?biāo)進行檢測、識別、定位和跟蹤。 

　　1 系統(tǒng)設(shè)計思想

　　為了使系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、通用性和可移植性強，采用模塊化、分層級連化思想進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟件硬件設(shè)計;為了使系統(tǒng)滿足應(yīng)用靈活和應(yīng)用范圍擴展性的要求，在總線設(shè)計、軟硬件設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范;為了適應(yīng)海洋惡劣的操作環(huán)境，在結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計中充分借鑒便攜式和插件式設(shè)計方法，同時考慮使系統(tǒng)滿足體積小、重量輕和功耗低等實際需要。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計方案

　　本文設(shè)計的電子浮標(biāo)系統(tǒng)是以DSP芯片為中心的全數(shù)字、模塊化結(jié)構(gòu)，它主要由干端和濕端兩大部分組成，兩部分之間的信息通過無線數(shù)據(jù)鏈路完成。整個系統(tǒng)的工作模型如圖1所示。濕端是由電子浮標(biāo)和之相連的水聽器陣組成，主要完成對目標(biāo)聲信號的檢測和先期處理;干端即監(jiān)測中心，一般安裝在浮標(biāo)附近的移動或固定平臺上，主要完成對濕端傳來的目標(biāo)數(shù)據(jù)進行存儲，實現(xiàn)對目標(biāo)監(jiān)視跟蹤等功能，它由高性能工控機、無線通訊器和數(shù)字錄音機等組成。干擾可通過無線指令對濕端浮標(biāo)進行狀態(tài)(工作狀態(tài)/待機狀態(tài))切換、水聽器陣收放操作以及各種算法相關(guān)參數(shù)設(shè)置等控制。本文主要介紹濕端電子浮標(biāo)信號處理方面的設(shè)計方法，有關(guān)浮標(biāo)的浮力結(jié)構(gòu)、配重等方面的設(shè)計以及干端部分的設(shè)計方法從略，請參見文獻[1]。　　

　　2.1 電子浮標(biāo)的組成和工作原理

　　電子浮標(biāo)的主要功能是檢測水下目標(biāo)的微弱聲信號，通過并行數(shù)字信號處理器對信號延時進行估計，以此對目標(biāo)進行定位。其組成模塊示意圖如圖2所示。它的基本工作原理是當(dāng)電子標(biāo)接收到干端啟動指令后，就實時通過水聽器陣提取聲信號。該信號經(jīng)過前置低噪放大、濾波和A/D變換后，進行數(shù)字信號相關(guān)處理而獲得精確的信號延時估計值，進而對目標(biāo)進行定位解算;電子浮標(biāo)通過GPS接收機給水聽器陣同步定時;目標(biāo)原始數(shù)字信息和解算后的位置信息經(jīng)過編碼處理通過無線數(shù)傳模塊傳輸?shù)礁啥吮O(jiān)濁中心進行存儲和目標(biāo)監(jiān)視、跟蹤及識別。　　

　　2.1.1 前置預(yù)處理模塊

　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)定位功能，水聽器陣選用合成系統(tǒng)限公司的T122偵察水聽器陣，該陣由2×6個高靈敏度的水聽器基元配置成垂直陣和水平陣形成，可在寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生固定的波束角度。由于水下目標(biāo)的聲信號往往很弱(0級海況下，在水聽器接收端的電壓約為幾微伏)，而海洋的環(huán)境噪聲很強，水聽器輸入端的信噪比很低，為了進行A/D轉(zhuǎn)換，在前置預(yù)處理模塊中必須對信號進行放大和濾波處理。前置預(yù)處理模塊的組成框圖如圖3所示。采用分級濾波和可變倍數(shù)放大是為了逐步消除海洋噪聲干擾并提取40Hz～15kHz的目標(biāo)信號;采用AGC放大是為了將信號的動態(tài)限制在-5V～+5V范圍內(nèi)，從而滿足進行A/D轉(zhuǎn)換的需要。這里AGC自身的動態(tài)范圍為40dB;A/D采用并行32通道16bit插件，最高采樣率為40kHz，其輸出的數(shù)字信號進入水聲信號處理模塊進行進一步處理。　　

　　2.1.2 DSP陣列模塊

　　與其他聲納信號處理過程類似，電子浮標(biāo)也涉及大量數(shù)據(jù)的實時處理。選用信號處理器時必須兼顧數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性和實時性要求，而DSP微處理器能夠高效實時地完成聲納信號處理順的波束形成、數(shù)字濾波、線譜增強、數(shù)值內(nèi)插等多種復(fù)雜的數(shù)值運算，而且它體積小，應(yīng)用靈活。因此本方案選用了DSP芯片作為電子浮標(biāo)的數(shù)據(jù)處理中心。由于通過水聽器陣提取的目標(biāo)數(shù)據(jù)巨大，并需要進行FFT和ZOOM-FFT等復(fù)雜的蝶形運算，采用高性能的DSP處理器才能更好地滿足實時性處理的需要。本文選用AD公司新近推出的超高性能并行ADSP21160微處理器[3]，它具有單指令多數(shù)據(jù)流的并行處理結(jié)構(gòu)。該處理器比目前聲納設(shè)計中常用的ADSP21060和TMS320C40在性能上有較大的提高[3]。ADSP21160的時鐘是ADSP21060的2.5倍，高達 100MHz，有兩個并行的ADSP21060核，運算速度是ADSP21060的5倍;而且ADSP21160的14個DMA通道各自獨立，具有4MB 內(nèi)部存儲空間。

　　考慮A/D采樣率和ADSP21160的處理能力，僅用單片DSP對目標(biāo)數(shù)據(jù)實時進行多種復(fù)雜運算會超出它的處理能力。對電子浮標(biāo)而言信號處理過程可分解為若干個級連的分功能處理過程，而每個分功能處理過程，又可以分解為進行的子處理過程(主要包括數(shù)據(jù)濾波、波束形成、延時測量、后置處理四個子處理過程)，這些子處理過程用單片DSP來完成。因此必須用多片DSP來進行信號處理才能滿足大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜運行的需要。而且電子浮標(biāo)各個子處理過程之間數(shù)據(jù)傳輸具有較強的空間范圍限制，在時間上也較為規(guī)律，因此本文采用分層級連DSP陣列結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)處理，其硬件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。最高層的DSP負責(zé)協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作，并和GPS接收機、無線數(shù)值模塊通過串口通訊;下一面的4個模塊在電路組成上模塊通過串口通訊;下一層的4個模塊在電路組成上相同，其中，EPROM是程序存儲器，高速RAM用來暫存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩沖和譯碼等由一片EPLD可編程邏輯器件實現(xiàn)，模塊間通訊都通過雙口RAM來實現(xiàn)。1級模塊用來數(shù)字濾波，2級模塊用來波束形成，3級模塊用來信號延時測量和目標(biāo)位置解算，4級模塊用來后置處理。四個模塊采用信號流水級連形成，統(tǒng)一受最高層DSP控制，共同構(gòu)成了既緊密耦合又相互獨立，數(shù)據(jù)傳送效率高的級連數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。　　

　　2.1.3 水信號處理模塊

　　信號處理模塊主要涉及基于DSP硬件平臺的各種算法實現(xiàn)，該模塊的組成如圖5所示。A/D變換后的數(shù)字信號，先經(jīng)過頻帶可變的128點FIR數(shù)字濾波后進行存儲器動態(tài)濾束形成。約束形成是水聲信號處理中的常用技術(shù)[1]，它一方面可提高信噪比，另一方面可使水聽器陣具有空間選擇性，從而抑制其他方向來的相關(guān)干擾;完成波束形成后為了便于顯示處理和適應(yīng)顯示器的灰度要求，需要進行后置能量積累和數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍壓縮處理。這里的后置積累采用絕對值檢波分級處理，采用分級的目的是保證輸出具有連續(xù)、調(diào)和的灰度，動態(tài)范圍壓縮就是將數(shù)據(jù)由16位壓縮到8位，可采用丟掉低8位的線性壓縮方式和對數(shù)壓縮的非線性壓縮方式;在進行后置處理的同時，利用波束形成后的數(shù)據(jù)進行信號延時測量。為了提高延時處理的精度，這里采用粗測和精測兩個過程，其中精測采用自適應(yīng)噪聲抵銷法。該方法主要思想是通過LMS算法調(diào)節(jié)由多節(jié)抽頭延遲線構(gòu)成的自適應(yīng)濾波器的權(quán)系數(shù)，然后進行迭代平均而得到精度優(yōu)于40μs的粗延時估計。在粗估計的基礎(chǔ)上采用互譜技術(shù)、二次相關(guān)技術(shù)和極性相關(guān)技術(shù)進行延時精測，這里采用64點互譜運算和逆序方式的極性相關(guān)方式，通過延時精測可使延時的精度優(yōu)于25μs;得到不同水聽器的精確延時后即可通過經(jīng)典的3點陣法測距。　　

　　2.1.4 格式轉(zhuǎn)換和無線數(shù)傳模塊

　　這兩個模塊主要完成電子浮標(biāo)與干端監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)通信。格式轉(zhuǎn)換是為了降低傳輸誤碼率而對所的數(shù)據(jù)通信。格式轉(zhuǎn)換是為了降低傳輸誤碼率而對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行編碼和譯碼，這里采用(2，1，9)擴展卷積碼的編碼和譯碼方式。這種碼能在譯碼約束長度20個碼元內(nèi)，糾正2個碼元的隨機錯誤和4個碼元的突發(fā)錯誤。為了能實時傳送電子浮標(biāo)的顯示數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù)，這里采用碼速率高達727Kbps的WDC無線數(shù)字模塊，該模塊收發(fā)頻率在336MHz～344MHz可選，輸出功率15W，覆蓋范圍大于15km。

　　2.1.5 GPS接收機和時間同步模塊

　　為給電子浮標(biāo)自身實時定位并給水聽器陣延時測量進行時間同步，這里采用具有精密授時功能的GPS接收機—JAVAD公司的JGG20.該接收機不僅有高穩(wěn)定度的5MHz、10MHz、20MHz頻標(biāo)輸出，而且還有定時精度優(yōu)于25ns的1PPS輸出。本系統(tǒng)還從GPS接收機的輸出信息中實時提取電子浮標(biāo)的三維位置、速度等信息，利用該信息便可維導(dǎo)出目標(biāo)的大地坐標(biāo)。

　　3 系統(tǒng)工作過程

　　當(dāng)對水下運動目標(biāo)進行監(jiān)測時，工作母船航行至監(jiān)測海域某特定位置，并將電子浮標(biāo)投入海中。系統(tǒng)啟動后，最高層DSP先進行程序裝載并將系統(tǒng)初始化，設(shè)置下層各級模塊的初始化命令字和初始化參數(shù)并依次中斷下層各級模塊的DSP，下層模塊的DSP依次進入中斷服務(wù)程序并根據(jù)命令字，確定程序如何裝載以及參數(shù)如何設(shè)置，然后來裝載程序和設(shè)置參數(shù)。該過程完成后，下層DSP通過某一輸出口通知上層DSP并退出中斷。各部分都設(shè)置好后，高層DSP就啟動A/D，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。信號處理過程也采用中斷方式進行，前一級處理完成就中斷下一級處理模塊進行工作。需要注意的是在程序裝載完成后，為了克服溫躍層的影響，要根據(jù)該海域的水深及當(dāng)時的海詳狀況，干端通過指令控制電子浮標(biāo)的傳動機構(gòu)將水聽器陣放入合適的深度。當(dāng)運動目標(biāo)開始運動后，在干端的顯示屏上即可觀察到目標(biāo)的運動軌跡，并可對目標(biāo)進行識別和跟蹤，同時聽測系統(tǒng)可監(jiān)聽到運動目標(biāo)的輻射噪聲。目標(biāo)運動軌跡也同時由存儲打印機實施硬拷貝。