海上試驗聲學浮標多功能設計*

丁翠環 李孟學 韓 碩

(1.91388部隊 湛江 524022)(2.92213部隊 湛江 524022)

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海上試驗聲學浮標多功能設計*

丁翠環1李孟學2韓 碩1

(1.91388部隊 湛江 524022)(2.92213部隊 湛江 524022)

利用現代電子技術,對試驗聲學浮標的DSP、FPGA進行重新編程和配置,使其在現場功能可變,使聲學浮標由單一功能到可以兼顧多種功能,可以減少浮標數量,放置、使用方便,從總體的角度對浮標的多功能設計技術進行了全面的論述。

聲學浮標; 重編程配置; 多功能設計

Class Number TB52+9

1 引言

海上試驗專用聲學浮標是指布放于海上,具有水聲通信、測量、定位等一種或多種功能的浮標體,由于其在水聲測量方面的簡便性,在海上試驗中得到了廣泛的應用。研究浮標多功能設計技術,在不增加體積的條件下,使其能實現更多的功能,規范浮標的設計技術和方法,對提高浮標的可靠性,節省存放空間、降低經費,意義深遠。近幾年,隨著現代電子技術的發展,大規模集成電路、DSP、FPGA設計技術的應用越來越普遍,可以利用軟件動態改變部件內部配置進行電路重構以實現系統的各種不同用途[1],這些技術的應用使海上試驗聲學浮標的多功能設計成為可能。

2 聲學浮標的結構組成及信號分析

2.1 浮標的總體結構

試驗聲學浮標采用積木式結構,由天線段、支撐桿、浮體、水下電子艙和水聽器及電纜等構成。其中水下電子艙內設有控制單元、水聲信號處理單元、無線通信鏈模塊和DGPS接收機、可充電電池、存儲單元等電子設備。天線段部分架設DGPS天線、無線通信天線和航標燈。浮標結構示意圖如圖1所示。

2.2 浮標的基本功能

浮標的基本功能: 1) 自身DGPS定位功能; 2) 具有與測量基站無線通信的能力; 3) 具有對水下目標水聲測量、通信的一種或多種專門的能力。

2.3 聲學浮標的信號

圖1 聲學浮標一般組成示意圖

浮標有無線電數據傳輸通道和水聲測量通道,主要利用無線電傳輸實測數據及控制命令,用聲傳感器實測和傳遞水下數據。水聲信號有輸入輸出兩個部分,因測量頻率不同還有多個頻段,有多路輸入輸出的要求。可能有多個模擬輸入,如矢量水聽器有VX、VY兩路輸入,雙水聽器時有P1、P2兩路聲壓輸入。也可能有數字信號輸入,如壓力傳感器、方位儀數據等,數字輸入可以合成一路傳輸。模擬輸出一般為一路,但可能有輔助測量信號,這樣就可能為兩路模擬信號。

2.4 浮標的水聲信號流程

一般浮標水聽器接收的聲信號首先經前放接收機預處理。前放與水聽器硫化在一起,有一定的放大增益。接收機包括濾波和放大功能,濾波器頻率范圍為幾百赫茲到幾十千赫茲,放大增益較大。然后到達ADC、DSP處理電路,由16bit高精度ADC和兩片TMS320VC5402構成水聲信號處理器子系統。信號處理子系統的主要任務為: 1) 檢測信號并測量到達時刻,爭取實現盡可能低的檢測閾,以便有盡可能遠的作用距離。 2) 可以跟蹤多目標。信號經處理后形成結果保存在中心處理單元并由無線電數據發送回基站。 3) 多路水聲輸入輸出信號的處理。

發送的信號由水聲DSP產生經DAC、發射機、功放電路到發射換能器發射。其中功放電路功率較大,需占用一定的空間。

模擬信號可能是多路的,必須有不同的放大通道及ADC、DAC電路。

一般聲學浮標信號流程框圖如圖2所示。

圖2 聲學浮標信號一般流程

3 浮標多功能設計

目前大多數浮標都是專用浮標,一種浮標只有一種特定的功能。沒有多功能浮標的原因在于浮標功能多浮標體積勢必做得很大,影響使用,而且多功能在技術上融合難度大,沒有專用浮標專門設計簡單,配屬的單位也不同,這樣導致已有擬建的浮標系統很多,形成資源的浪費。在不增加浮標的體積下,實現浮標多種用途的途徑就是浮標的多功能設計。

3.1 浮標多功能設計定義

浮標多功能設計是指不改變浮標的總體結構和硬件主要配置,通過改變外設配置、內部電路部件選擇、DSP及軟件配置而使浮標實現水聲不同頻段水聲通信、應答、不同類型目標信號測量跟蹤等功能,其不同的功能主要是通過改變水聲信號處理單元的配置而實現。浮標多功能的實現流程如圖3所示。

圖3 浮標多功能實現流程

3.2 整體電氣結構配置

為確保多功能配置的方便性,必須采用模塊化、通用化設計,做到總線接口標準,特定模塊、通用模塊分開。內部電氣整體結構采用104總線寶塔型結構。各功能模塊完成特定的功能,主要由如下模板組成:GPS接收及無線通信板,電源板,主控及數據處理板,水聲處理板,前置及放大器板等組成,見圖2。GPS接收及無線通信板,電源板,主控及數據處理板為基本電路板,水聲輸入處理板,水聲輸出處理板,前置及放大器板為系統可選部件,按需求安裝或通過主控軟件選擇配置。浮標功能由不同的水聲處理軟件及不同的硬件配置實現。

其中DGPS、定位、授時同步、無線擴頻通信、電源控制、中心控制單元、數據儲存部件為系統基本模塊,主要完成浮標自身定位、系統時間同步、無線電數傳、電源控制、系統控制、系統配置控制等功能。水聲DSP、ADC、DAC、接收機、發射機為內部可選擇配置部件,完成水聲測量和發送、信號預處理、數模/模數轉換、水聲信號處理、測量頻段選擇、測量方式選擇、信號檢測方法控制等功能,其中水聲DSP由現場配置,接收及發射部分可在浮標體內部選擇。功放和接收水聽器或發射換能器為浮標外部可選擇部件,根據試驗要求通過電纜連接于浮標外部,完成水聲信號的功率放大、接收和發送。

4 聲學浮標多功能的技術實現

4.1 浮標多功能的共同部件設計

共同部件指無需再配置部分,為浮標的基本組成之一,此部分以中心處理單元為核心,除實現定位、數傳、時間同步、處理、存儲等功能外,還實現對水聲測量的配置、部件選擇控制、電源分配控制等功能,即確定浮標水聲測量模式。主要由DSP中心處理器、CF儲存卡、DGPS定位守時、通信部件、門控電路組成。水聲測量功能實現軟件(主要為聲學DSP、FPGA配置軟件)全部放在CF卡上,系統接收控制指令把某特定功能軟件調出配置在聲學處理板上以實現水聲測量功能。設計無需再述。中心處理單元軟件主要工作流程如圖4所示。

圖4 系統基本程序流程

4.2 浮標聲信號處理部分設計

聲信號處理板是浮標多功能設計實現的關鍵,主要由聲學信號處理DSP、數據接口FPGA電路、DAC、ADC、水聲信號調理放大電路、水聲發射及接收電路組成。對于水聲測量,DAC、ADC的時間同步周期為100kHz已足夠,放大電路可采用寬帶電路,覆蓋低頻到高頻帶。硬件結構框圖如圖5所示。

該部分設計的關鍵在于水聲DSP處理軟件和SRAM FPGA的配置軟件,用存在控制中心CF卡上的水聲處理軟件對水聲信號處理DSP進行重編程,由相應的FPGA配置軟件對數據接口SRAM FPGA進行重配置,即可改變系統的水聲處理功能,使該部分獲得專用的水聲測量的能力。該部分需要完成如下兩部分功能:對輸入輸出通道的配置控制,對相應水聲數據進行處理。系統的配置的流程如圖6所示。

圖5 硬件結構框圖

圖6 系統的配置流程

水聲DSP數據處理軟件為專用軟件,不同的水聲功能配套有不同的處理軟件,其處理的信號形式到最終的結果都是不同的,但最后的數據流都向主控中心發送。圖7是某測量系統聲學DSP的信號處理部分流程。

圖7 彈道測量系統聲學DSP的信號處理流程

SRAM FPGA的重新配置也不復雜,主要對其CONF-DON、nSTATUS、nCONFIG引腳的讀寫控制,數據通過DATA0引腳寫入,時序通過DCLK電路引入即可。該部分主要完成輸入輸出的連接的選擇。

4.3 聲學外部可選擇部件及連接插頭的設計

外部可選擇部件包括電纜、前(功)放、水聽器(換能器)等,一般的換能器連接較為簡單,特殊的如被動測量矢量換能器、大功率發射換能器等可以把相關外測電路、功放電路和水聽器做在一起,或增加輔助電子艙,把壓力傳感器、功放電路、方位儀放在一起。以實現其外部的特殊功能,減少浮標的內部體積。

故必須對浮標的電纜外接頭的引腳進行規范,定義1～8腳為聲模擬信號輸入腳,9～12為數字、模擬電源腳,13～14數字信號角,15～19為聲模擬信號輸出腳等。

5 結語

文章論述了海上試驗聲學浮標由單一功能轉變為多功能的設計方法。利用現代電子技術,對試驗聲學浮標的DSP進行重編程、FPGA進行重配置,使浮標功能在現場可改變,使浮標由單一水聲測量功能發展成為可以兼顧多種水聲測量功能,解決了浮標數量過多,放置、使用不便的問題。

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Nautical Testing Acoustical Buoy Multifunctional Design

DING Cuihuan1LI Mengxue2HAN Shuo1

(1. No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)(2. No. 92213 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

By using modern electronical technology, we can re-program and re-configure DSP and FPGA of testing acoustical buoy, so that its function is transformable at the scene to realize single function to multifunction of acoustical buoy. That can reduce amount of bouys. Placement and use will be more convenient. As a whole, we discuss multifunctional design of bouy in the paper .

acoustical buoy, re-program and configure, multifunctional design

2014年9月1日,

2014年10月27日

丁翠環,女,高級工程師,研究方向:水聲測量技術。李孟學,男,工程師,研究方向:水下定位導航技術。韓碩,女,碩士研究生,助理工程師,研究方向:水聲測量技術。

TB52+9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.036