本文介紹了一種基于分層級連DSP陣列技術的電子浮標設計方案，該方案通過微弱信號檢測技術來提取水下目標的聲信號;通過差分GPS技術來給浮標進行高精度實時定位;通過DSP技術進行大基陣數據處理;通過無線通訊技術進行數據傳輸。該系統可較好地在大范圍海域對水下目標進行檢測、識別、定位和跟蹤。
1 系統設計思想
為了使系統實現簡單、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的結構和軟件硬件設計;為了使系統滿足應用靈活和應用范圍擴展性的要求，在總線設計、軟硬件設計、結構設計等方面嚴格依據標準化規范;為了適應海洋惡劣的操作環境，在結構和硬件設計中充分借鑒便攜式和插件式設計方法，同時考慮使系統滿足體積小、重量輕和功耗低等實際需要。
2 系統設計方案
本文設計的電子浮標系統是以DSP芯片為中心的全數字、模塊化結構，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據鏈路完成。整個系統的工作模型如圖1所示。濕端是由電子浮標和之相連的水聽器陣組成，主要完成對目標聲信號的檢測和先期處理;干端即監測中心，一般安裝在浮標附近的移動或固定平臺上，主要完成對濕端傳來的目標數據進行存儲，實現對目標監視跟蹤等功能，它由高性能工控機、無線通訊器和數字錄音機等組成。干擾可通過無線指令對濕端浮標進行狀態(工作狀態/待機狀態)切換、水聽器陣收放操作以及各種算法相關參數設置等控制。本文主要介紹濕端電子浮標信號處理方面的設計方法，有關浮標的浮力結構、配重等方面的設計以及干端部分的設計方法從略，請參見文獻[1]?！ ?/p>
2.1 電子浮標的組成和工作原理
電子浮標的主要功能是檢測水下目標的微弱聲信號，通過并行數字信號處理器對信號延時進行估計，以此對目標進行定位。其組成模塊示意圖如圖2所示。它的基本工作原理是當電子標接收到干端啟動指令后，就實時通過水聽器陣提取聲信號。該信號經過前置低噪放大、濾波和A/D變換后，進行數字信號相關處理而獲得精確的信號延時估計值，進而對目標進行定位解算;電子浮標通過GPS接收機給水聽器陣同步定時;目標原始數字信息和解算后的位置信息經過編碼處理通過無線數傳模塊傳輸到干端監濁中心進行存儲和目標監視、跟蹤及識別?！ ?/p>
2.1.1 前置預處理模塊
為了能夠實現目標定位功能，水聽器陣選用合成系統限公司的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，可在寬頻帶內產生固定的波束角度。由于水下目標的聲信號往往很弱(0級海況下，在水聽器接收端的電壓約為幾微伏)，而海洋的環境噪聲很強，水聽器輸入端的信噪比很低，為了進行A/D轉換，在前置預處理模塊中必須對信號進行放大和濾波處理。前置預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放大是為了逐步消除海洋噪聲干擾并提取40Hz～15kHz的目標信號;采用AGC放大是為了將信號的動態限制在-5V～+5V范圍內，從而滿足進行A/D轉換的需要。這里AGC自身的動態范圍為40dB;A/D采用并行32通道16bit插件，最高采樣率為40kHz，其輸出的數字信號進入水聲信號處理模塊進行進一步處理?！ ?/p>
2.1.2 DSP陣列模塊
與其他聲納信號處理過程類似，電子浮標也涉及大量數據的實時處理。選用信號處理器時必須兼顧數據處理的復雜性和實時性要求，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、數字濾波、線譜增強、數值內插等多種復雜的數值運算，而且它體積小，應用靈活。因此本方案選用了DSP芯片作為電子浮標的數據處理中心。由于通過水聽器陣提取的目標數據巨大，并需要進行FFT和ZOOM-FFT等復雜的蝶形運算，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]，它具有單指令多數據流的并行處理結構。該處理器比目前聲納設計中常用的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對目標數據實時進行多種復雜運算會超出它的處理能力。對電子浮標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(主要包括數據濾波、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據量和復雜運行的需要。而且電子浮標各個子處理過程之間數據傳輸具有較強的空間范圍限制，在時間上也較為規律，因此本文采用分層級連DSP陣列結構進行數據處理，其硬件組成結構如圖4所示。最高層的DSP負責協調整個系統的工作，并和GPS接收機、無線數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用來暫存數據，數據緩沖和譯碼等由一片EPLD可編程邏輯器件實現，模塊間通訊都通過雙口RAM來實現。1級模塊用來數字濾波，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，統一受最高層DSP控制，共同構成了既緊密耦合又相互獨立，數據傳送效率高的級連數據處理系統。
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，該模塊的組成如圖5所示。A/D變換后的數字信號，先經過頻帶可變的128點FIR數字濾波后進行存儲器動態濾束形成。約束形成是水聲信號處理中的常用技術[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干擾;完成波束形成后為了便于顯示處理和適應顯示器的灰度要求，需要進行后置能量積累和數據的動態范圍壓縮處理。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、調和的灰度，動態范圍壓縮就是將數據由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據進行信號延時測量。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噪聲抵銷法。該方法主要思想是通過LMS算法調節由多節抽頭延遲線構成的自適應濾波器的權系數，然后進行迭代平均而得到精度優于40μs的粗延時估計。在粗估計的基礎上采用互譜技術、二次相關技術和極性相關技術進行延時精測，這里采用64點互譜運算和逆序方式的極性相關方式，通過延時精測可使延時的精度優于25μs;得到不同水聽器的精確延時后即可通過經典的3點陣法測距。
2.1.4 格式轉換和無線數傳模塊
這兩個模塊主要完成電子浮標與干端監測中心的數據通信。格式轉換是為了降低傳輸誤碼率而對所的數據通信。格式轉換是為了降低傳輸誤碼率而對所傳輸的數據進行編碼和譯碼，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，糾正2個碼元的隨機錯誤和4個碼元的突發錯誤。為了能實時傳送電子浮標的顯示數據和方位數據，這里采用碼速率高達727Kbps的WDC無線數字模塊，該模塊收發頻率在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定度的5MHz、10MHz、20MHz頻標輸出，而且還有定時精度優于25ns的1PPS輸出。本系統還從GPS接收機的輸出信息中實時提取電子浮標的三維位置、速度等信息，利用該信息便可維導出目標的大地坐標。
3 系統工作過程
當對水下運動目標進行監測時，工作母船航行至監測海域某特定位置，并將電子浮標投入海中。系統啟動后，最高層DSP先進行程序裝載并將系統初始化，設置下層各級模塊的初始化命令字和初始化參數并依次中斷下層各級模塊的DSP，下層模塊的DSP依次進入中斷服務程序并根據命令字，確定程序如何裝載以及參數如何設置，然后來裝載程序和設置參數。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。各部分都設置好后，高層DSP就啟動A/D，系統進入工作狀態。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，要根據該海域的水深及當時的海詳狀況，干端通過指令控制電子浮標的傳動機構將水聽器陣放入合適的深度。當運動目標開始運動后，在干端的顯示屏上即可觀察到目標的運動軌跡，并可對目標進行識別和跟蹤，同時聽測系統可監聽到運動目標的輻射噪聲。目標運動軌跡也同時由存儲打印機實施硬拷貝。