基于DSP的被動定向浮標算法的實現

基于DSP的被動定向浮標算法的實現

匡開鋒張雷王森

（杭州應用聲學研究所杭州310012）

論文介紹了被動定向浮標復合信號解復用的過程，以及利用互譜法測向的原理?；贑語言進行編碼，在TMS320C6678DSP實現了被動定向浮標算法。利用仿真驗證了算法的正確性，結果表明新的信號處理平臺大大提高了聲納信號仿真和處理的能力。

定向浮標；解復用；互譜法

Class NumberTP391

1 引言

聲納是利用水中聲波進行探測、定位和通信的電子設備，可用于對水下目標進行探測、分類、定位及跟蹤。被動聲納技術是指聲納被動接收船舶等水中目標產生的輻射噪聲和水聲設備發射的信號，以測定目標的方位［1～2］。被動定向聲納浮標的水聽器具有方向性，單枚浮標可以確定目標相對于浮標的磁北方位。利用兩枚或兩枚以上的被動定向浮標對目標輻射的聲信號進行頻譜分析記錄，即可交精確地測定目標的位置［4］。

2 原理

2.1 浮標信號解復用原理

浮標內部的矢量傳感器由兩個偶極子傳感器組成，兩個偶極子傳感器分別沿著浮標的X軸方向和Y軸方向。如圖1，浮標Y軸沿順時針方向與地磁北極的夾角標記為?，目標方向沿順時針方向與浮標Y軸的夾角標記為θ。羅盤測得?角度，θ+?就是目標相對于地磁北極的方位。定義Y軸傳感器接收的信號為余弦通道信號或者Y通道信號，X軸傳感器接收的信息為正弦通道信號或者X通道信號，全向水聽器接收的信息為全向信號。

浮標接收機獲取的是離散采樣后的復合信號，包含全向信號，正交調制后的偶極子信號，一路導頻信號以及一路導相信號。解復用是將被動定向浮標的復合信號分離的過程，提取得到全向信號和解調后得到東西和北南信號?？梢杂盟闶阶C明如下：

設Y軸向傳感器接收到的信號為Y=Acosθ，X軸向傳感器接收到的信號為X=Asinθ，假設初始相位為0°，則有復合信號經過帶通濾波后的信號為S=Ycos(ωt)-Xsin(ωt)+sin(ωt-φ)。

導頻鎖相環鎖定導相信號sin(ωt-φ)，送出正交的兩個信號，即余弦通道解調信號cos(ωt-φ)和正弦通道解調信號-sin(ωt-φ)，余弦通道解調過程如下：

在這個解調過程中，羅盤信息已經融合到東西信號和北南信號中，進一步信號處理，如互譜法等即可獲得目標在地磁坐標中的絕對方位。

2.2 TMS320C6678DSP器件簡介

TMS320C6678是TI公司的一款8核C66xx的定點/浮點DSP，運算能力強，每核主頻1.0G/ 1.25GHz，單核可高達40GMACS和20GFLOPS，支持SRIO高速串行接口，理論帶寬1.25GB/s，實際的板內帶寬不低于0.8GB/s，擁有優越的網絡性能，片間單核對單核以太網通訊，板內傳輸速率不低于60MB/s，適用于高性能的信號處理應用。

TI提供了用于數學和信號處理的科學計算庫，如向量卷積、FIR濾波、快速傅里葉變換函數等，并針對底層DSP對計算函數進行了優化，在運算精度和效率都得到了大大提高，實測的1024點復數FFT運算耗時約為80μs，運算能力強。

3 算法設計及軟件實現

3.1 數字解復用

對于從軟件無線電接收機送來離散采樣后的復合信號，采用一個低通濾波器取出全向信號；一個帶通濾波器分離出調制的偶極子信號和15KHz導相信號，并進一步正交解調和低通濾波取出東西信號和北南信號；另一個帶通濾波器取出導頻信號作為導頻鎖相環的輸入。導頻鎖相環跟蹤導頻信號的頻率，倍頻后輸出與導相信號同頻的解調信號，對余弦通道進行解調，解調信號和導相信號的相位誤差信號輸入到數字導頻鎖相環，鎖相環進行調整，最后捕獲導相信號的相位。算法框圖如圖2所示。

3.2 互譜法測向

采用互譜法進行目標方位估計能較好的抑制各項同行噪聲干擾，并能得到目標頻率-方位信息。經過解復用處理、譜分析以及譜線選擇后的北南、東西通道數據分別與全向通道共軛相乘，得到互功率譜，對互功率譜實部求反正切即可得到對應頻率的目標方位估計結果，目標方位估計的算法流程如圖3所示。

設全向通道、北南通道和東西通道數據對應的頻譜數據分別為YO(k)，YN(k)，YE(k)，從而求得全向-東西互功率譜為

全向-北南互功率譜為

從而得到目標方位與頻率的關系為

4 實驗仿真

仿真實驗中，設定目標信號的頻率為120Hz，方位為60°，復合信號的譜圖如圖4所示，包含全向信號，正交調制后的偶極子信號，15KHz的導相信號以及7.5Hz的導頻信號。

經過解復用處理后的全向、東西和北南通道信號如圖5所示，由圖6可以看出解復用器在2s內鎖定目標，目標方位的實時估計結果表明算法具有較高的測向精度。

對信號輸出的方向-頻率-信號強度進行分析，找出信號強度最大者的頻率和方位并顯示出，得到目標的頻率-方位圖如圖7所示。

5結語

本文基于TMS320C6678多核DSP實現了被動定向浮標信號處理算法，結果顯示目標信號能夠快速鎖定且有較高的測向精度。TMS320C6678DSP硬件集成度高，擁有高速對外傳輸接口及大容量外部存儲空間，基于TMS320C6678DSP的信號處理平臺大大提高了系統的緊湊性和拓展性，對提升聲納信號綜合處理能力具有重要意義。

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Realization of Passive Directional Sonobuoy Signal Processing Algorithm Based on DSP

KUANG KaifengZHANG LeiWANG Seng
（Hangzhou Applied Acoustics Institute，Hangzhou310012）

The principle of demultiplexer in sonobuoy is introduced，and the target bearing of signal is calculated by cross spectrum method.The directional sonobuoy signal processing algorithm is achieved on TMS320C6678DSP using C language.Perfor?mance of the algorithm is evaluated via computer simulation，and the results indicate that the new signal process platform has great?ly improve the capacity of sonar signal simulation and processing.

directional sonobuoy，demultiplexer，cross spectrum method

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.033

2017年2月9日，

2017年3月28日

匡開鋒，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：數字信號處理。張雷，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：顯示控制與編碼。王森，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：數字信號處理，統計信號處理。