海上艦船目標檢測預警系統

李志國，姚 鵬

（西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072）

在海上的傳送原油的油管經常會遭到過往船只的破壞，因此在油井附近安裝一種能檢測船只目標并實時預警給上位機的系統很有必要。國內外有許多使用圖像和視頻的方法來檢測艦船，但在功耗、硬件實現等方面受到制約。

由于艦船在行駛的時候會發出輻射噪聲，而且有一定的特征規律，而海面無船時的噪聲則小的多，并且是隨機噪聲。因此利用這兩者之間的區別，可以使用自相關函數來提取目標特征。由于系統最終要安裝在浮標里，而浮標能夠長時間穩定工作的最重要的條件是功耗低。因此，本系統以低功耗芯片C5535和A3P060為核心處理芯片，通過自相關算法完成目標的檢測和預警。湖上和海上試驗結果表明，該系統在目標檢測概率和系統功耗兩個主要指標上滿足要求，具有實際應用價值。

1 硬件系統設計

1.1 數字處理模塊

是整個系統中最核心的部分，它承擔著數據采集、檢測算法、與上位機通訊等主要任務。本系統中采用FPGA+DSP的經典搭配方式，FPGA負責數據的采集，低通濾波和降采樣以及北斗模塊的控制。DSP則用來進行復雜的算法和與上位機進行數據交換。這樣既利用了FPGA適合做邏輯控制的特點，也讓DSP適合做算法的優勢體現的淋漓盡致。該系統中DSP采用TI公司的超低功耗系列中的最新一款芯片TMS320C5535。該芯片具備FFT硬件加速器，官方資料顯示，在運算時間和功耗兩個方面，利用CPU計算1024點的FFT是硬件加速器計算的2.2至3.8倍和4至6倍。該芯片為了節省功耗，不配備數據和地址總線，但配置了豐富的外設，便于和其他芯片之間通信。FPGA采用Actel公司的A3P060，其獨特的熔絲FLASH結構使其功耗大大降低。該系統中，DSP和FPGA使用I2S總線和GPIO進行數據傳遞。系統整體框架如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

1.2 模擬信號采集電路

模擬信號的采集芯片選用ADI公司的AD7694。AD7694是一款16位、250 kSPS、電荷再分配、逐次逼近型模數轉換器（ADC），采用2.7 V至5.25 V單電源（VDD）供電。由于艦船輻射噪聲的頻率在10 kHz以下，所以250KSPS的采樣速率完全能滿足要求。其數字接口是非常簡單通用的SPI接口，在CNV的上升沿，AD開啟轉換，CNV高電平保持時間滿足要求時，就可以將其電平拉低，在下降沿，轉換的結果按MSB至LSB的順序沿著時鐘信號SCK輸出在SDO信號線上。AD轉換需要的參考電壓由ADR54450來提供。原理圖設計如圖2所示。

1.3 北斗電源開關電路設計

圖2 模數轉換電路原理圖Fig.2 Analog－digital conversion circuit Schematic

DSP與上位機的通信由北斗模塊作為中介完成，由于北斗模塊功耗非常大，電流達10 A左右，因此只有在接收命令和傳送結果時才將其供電開關打開，由于普通的模擬開關芯片的參數難以滿足要求，這里使用PMOS三極管作為開關，如圖3所示。FPGA通過IO信號SW控制Q2的導通。當SW為高電平時，Q2導通，Q1基極電平為 5.1k/（12k+5.1k）*12 V=3.6 V＞0.7 V，Q1也導通，這時北斗模塊開始供電并工作。當SW為低電平時，Q1斷開。北斗模塊進入待機狀態。

圖3 北斗電源開關Fig.3 Beidou power switch

1.4 RS232總線電路設計

DSP與北斗模塊采用RS232總線通訊，DSP配置了UART總線控制器，因此只需添加一個UART轉RS232轉換芯片即可，這里選擇MAX公司的MAX322，其接口簡單易用。

2 系統軟件設計

2.1 艦船目標檢測方法及仿真

國內外有許多從時域、頻域和聯合分析，發展起來的短時傅里葉變換、小波變換等，但是運算量非常大，文中提出來一種適合在硬件系統上實現的方法：自相關法。信號的相關函數是在時間域內描述隨機過程的重要特征。自相關函數是隨機信號在不同時刻的值之間的依賴性的量度，是一個很有用的統計平均量，其定義為：

圖4 總線轉換芯片Fig.4 Bus converter chip

式中E表示數學期望，*表示共軛值，m為時間滯后數。

為了驗證該方法的可行性，選取在昆明撫仙湖采集的噪聲數據進行matlab仿真。數據采樣頻率為12.5 kHz，分析帶寬為0～5 kHz，樣本長度為1 024點，結果進行歸一化處理。通過對三組的自相關處理結果進行對比和分析，得：當目標（A型和B型艦船）由遠及近時，其相關峰值越來越大，而背景噪聲雖然也有一定的峰值，但其峰值只是海面有艦船時峰值的千分之一，只要設置合理的閾值，就可以檢測出目標。

2.2 軟件流程

圖5 A型船噪聲自相關Fig.5 A type of ship noise autocorrelation

圖6 B型船噪聲自相關圖Fig.6 B type of ship noise autocorrelation

圖7 背景噪聲自相關圖Fig.7 Background noise autocorrelation

整個軟件系統由兩大部分構成，DSP 軟件由C 和匯編兩種語言，這樣既方便對外設的操作，也利于復雜算法的實現。FPGA采用頂層設計方法，這樣方便子模塊的調用和參數的修改。整個軟件系統的流程框圖如圖8所示，主要包括：系統初始化，設置各模塊的初始化狀態；FPGA完成數據的實時采集、濾波和降采樣；DSP完成艦船檢測的相關算法；DSP通過北斗模塊與上位機通訊。

數據詳細處理過程為：FPGA在控制AD在完成一個采樣點的串并轉化之后，進入流水線的FIR低通濾波器，濾波器的低通截止頻率為10KHz，之后降采樣輸出給DSP。由于系統對實時性要求很高，若采用CPU中斷或者查詢方式，則DSP執行算法的過程會被不停的打斷。因此采用I2S總線的DMA模式與FPGA進行數據傳遞，DMA意思是直接內存訪問，是指不經由CPU而直接從內存中存取數據的數據交換模式。當I2S使用DMA控制器控制數據的收發過程時，MCU會將發送的控制權交給DMA硬件控制器，從而在數據發送的時間中去完成算法及其他事務。在DSP中開辟兩塊數據緩沖區，采用乒乓模式輪流接收DMA傳來的數據，這樣可以保證DSP處理數據的完整性。

圖8 軟件系統流程Fig.8 Flow chart of software system

3 結束語

系統樣機首先在實驗室上電調試，把全部功能都調通以后，在昆明撫仙湖和珠海現場試驗，在船只距離浮標約1.5公里處時，可以檢測到船只的狀態，經多次測試，檢測概率約為90%，滿足系統的技術指標要求。經測試功耗約150 mW，可以長時間工作。

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