基于多片高性能DSP的主動聲吶低速運動小目標探測系統

張舒皓, 馬曉川, 楊 力, 詹 飛

基于多片高性能DSP的主動聲吶低速運動小目標探測系統

張舒皓1,2, 馬曉川1,2, 楊 力1, 詹 飛1,2

( 1. 中國科學院 聲學研究所,北京, 100190; 2. 中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院, 北京, 100049)

自主水下航行器(AUV)等水下運動平臺的主動聲吶在淺海復雜環境工作時, 其性能容易被雜波造成的虛警影響, 難以完成對低速小目標的探測。針對這一問題, 探測系統采用了具備雜波抑制能力的二進制相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)波進行目標探測。但BPSK波多普勒敏感、速度容限小、易失配, 需要大量的副本覆蓋檢測范圍, 處理過程計算量大。為了解決這一問題, 文中采用6片高性能數字信號處理器(DSP)芯片構成的信號處理機, 設計了與硬件平臺適應的處理算法, 并對軟件進行了實時性優化。經過實時性測試, 該系統可在160 ms內完成發射脈寬200 ms的BPSK波1幀回波數據的實時處理。湖試試驗中, 該系統可檢出預先布置在1 360 m處, 航速1 kn, 目標強度3 dB的應答器。試驗結果表明, 該探測系統可在復雜水下環境實時有效探測低速小目標。

自主水下航行器; 主動聲吶; 數字信號處理器芯片; 波形設計; 目標探測; 雜波抑制

0 引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)、無人遙控航行器(remotely operated vehicle, ROV)的廣泛應用使濱海設施受到越來越大的安全威脅, 對其探測的需求也愈發緊迫。AUV、ROV、蛙人等水下入侵目標具有體積小、航速慢、自噪聲低、隱蔽性強的特點, 使港口、近岸水面船只和濱海軍事區域的安全受到威脅[1]。由于以上特點, 被動聲吶難以對這些目標進行有效監測, 需要使用高頻主動聲吶對其進行探測[2], 而頻率較高的主動聲吶由于海水的吸收作用, 探測距離較近[3], 為了克服這一難題, 可采用多個AUV等水下機動平臺搭載高頻主動聲吶, 進行分布式搜索, 以擴大搜索區域, 增強探測能力。

使用AUV作為搭載平臺, 其體積空間較小、攜帶能源有限, 使得有效載荷的體積、質量和功耗均受到較大限制, 因此, 對主動聲吶探測系統提出了結構緊湊、質量輕、探測能力強等要求。雜波主要由水下散射體(如淺海環境中的礁石、人工設施和魚群等)的回波造成, 與發射波形具有較強的相關性, 易造成虛警, 影響主動聲吶的探測性能[4]。主動聲吶探測強混響多雜波環境條件下的低速運動小目標時, 要求聲吶系統發射的波形及檢測方法具有抗混響和抗雜波的能力[5]。Yang[2]、Colin[6]、Doisy[7]等學者提出采用多普勒敏感波形來抑制雜波、提高主動聲吶在復雜水下環境中對低速目標的探測性能。多徑、水體波動等因素引起的信道模糊效應將導致多普勒擴展現象, 影響低速目標的探測[8]。多普勒容限較大的波形, 對速度覆蓋范圍內的目標和雜波都有較大的匹配濾波輸出, 容易導致虛警。諸如二進制相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)等多普勒敏感波形, 僅對其速度容限范圍內的目標具有較高的匹配濾波輸出, 而對容限外的雜波失配, 使得回波中的雜波成分被抑制。Yang[2], 張馳[8]等的試驗證實BPSK波在淺海中具有較好的雜波抑制能力。

多普勒敏感波形的速度容限較小, 易失配, 需要大量的副本來覆蓋檢測的范圍, 對系統的計算能力要求較高[8], 在水下航行器主動聲吶探測系統中采用多普勒敏感波形難度較大。文中選擇多普勒敏感、具有較好的抗雜波性能和混響抑制能力的BPSK波。為了滿足計算能力的需求, 采用6片數字信號處理器(digital signal processor, DSP)芯片并行的硬件架構, 設計適用于該硬件系統的波束形成和匹配濾波算法, 實現了AUV搭載的主動聲吶系統對復雜水下環境中低速小目標的實時探測。

1 系統結構

硬件系統結構如圖1所示, 6片TI公司的TMS320 C6455型DSP芯片集成在1塊信號處理板上, 運行主頻為1.2 GHz, 每片DSP峰值運算能力可達9 600 MMACS, 累計可提供高達576億次定點計算能力。每片DSP外掛512 MB的第2代雙倍數據率同步動態隨機存取存儲器(dou- ble-data-rate two synchronous dynamic random access memory, DDR2 SDRAM), 實現大容量的存儲功能。DSP芯片之間采用Serial RapidIO總線實現高速數據通信, DSP芯片按照星型拓撲結構連接到Tsi578交換機芯片上, 每路x1型Serial RapidIO接口的傳輸速率達3.125 Gbps。信號處理板采用8位低電壓差分信號(low-voltage differential signaling, LVDS)獲取模數轉換(analog to digital, A/D)芯片采集數據。板卡通過主機接口(host port interface, HPI)向發射機傳輸相應的BPSK波波形參數, 控制主動聲吶波形的發射。

圖1 硬件系統結構示意圖

探測系統工作流程主要包括波形發射、回波接收、數據處理和目標檢測等過程。波形發射由DSP完成發射參數計算后, 通過HPI對發射機進行設定, 之后發出使能信號啟動發射機, 由聲基陣將探測波形發射出去。回波接收由基陣將聲信號轉換為模擬電信號, A/D芯片將接收信號轉換為數字信號, 通過LVDS傳輸給DSP。數據處理過程主要包括波束形成和匹配濾波2個階段, 采用多片DSP并行計算, 實現實時處理。

2 接收信號處理

2.1 頻域寬帶DFT波束形成

對于寬帶BPSK信號, 采用頻域DFT波束形成進行處理。首先采用DFT變換將接收到的通道原始數據變換到頻域, 得到多個窄帶頻譜分量, 然后對這些頻譜分量分別進行窄帶波束形成, 最后將所有的窄帶波束形成結果按照功率相加, 合成為綜合的寬帶波束形成結果, 如圖2[9]所示。

圖2 離散傅里葉變換寬帶波束形成器

探測方向范圍覆蓋±55°, 分別在–50°, –40°, …, –10°, 0°, 10°, …, 40°, 50°共進行11個方向的波束形成。

2.2 頻域數字匹配濾波

圖3 頻域匹配濾波處理示意圖

圖4 接收信號分幀示意圖

2.3 BPSK波形參數及拷貝副本數的確定

BPSK波信號可表示為[11]

將

記為編碼信號, 則BPSK波信號為

BPSK波的波形和頻譜示意圖如圖5所示。

圖5 二進制相移鍵控(BPSK)波碼型、波形和頻譜示意圖

為了同時實現距離和多普勒的高分辨, 要求主動聲吶發射波形的模糊度函數具有時間和頻率高分辨特性, 文中使用碼元數為255的序列BPSK信號, 其模糊度函數輪廓圖如圖6所示。

圖6 BPSK波模糊度函數輪廓圖(陰影部分為?3 dB剖面)

時間分辨率和頻率分辨率分別為

波形的窄帶速度容限為

表1 40個匹配副本參數

3 目標檢測的DSP實現

多片DSP芯片對BPSK信號回波實時處理的任務分配如圖7所示, 6片DSP芯片采取主(DSP0)、從(DSP1~DSP5)模式進行任務分配。

主DSP功能: 控制發射機發射BPSK信號; 通過LVDS獲取A/D板采集的數據; 將獲取的每通道數據進行FFT, 然后進行波束形成; 通過RapidIO總線將波束形成的結果發送給5片從DSP。

從DSP功能: 生成BPSK波副本; 進行匹配濾波(包括頻域相關運算、IFFT運算和求模運算); 對求模后的結果進行歸一化處理; 初步檢測并將結果上傳至主DSP。

圖7 6片數字信號處理器(DSP)芯片任務分配示意圖

數據流如圖8所示, A/D板采集的通道數據由LVDS總線傳輸到主DSP當中, 主DSP加權進行波束形成后, 將波束形成結果通過RapidIO發送至從DSP, 從DSP進行匹配濾波并進行初步檢測后將結果上傳至主DSP匯總。

圖8 數據處理過程DSP中的數據流圖

在數據流處理過程中, 每一幀更新點數據, 因而每幀的處理總時間應小于點采樣對應的時間, 這樣可以保證處理過程的實時性。在每一幀的處理過程當中, DSP0完成30個通道數據的FFT, 11個方向的波束形成加權; DSP1~DSP5各自完成11個波束方向、每方向8個副本的88次匹配濾波。波束形成和匹配濾波的過程串行進行, DSP0每完成一個波束方向的波束形成后將結果發送至DSP1~DSP5進行匹配濾波。

圖9 一次收發過程的工作節拍圖

4 試驗驗證

4.1 系統實時性測試

分別測試圖9中發射波形和接收數據過程的實時性。測試了主、從DSP處理過程實時性, 完成每次任務的耗時抖動都在±1 ms以內。

為了預留一定的實時性冗余, 處理過程占用整個允許時間的80%以內時, 即認為可以達到實時性要求。系統發射的BPSK波脈寬為200 ms, 采樣率為40 kHz; 接收數據過程中, 處理窗寬度設置為16 384點(即幀長2對應16 384點), 數據處理采用1/2的重疊窗, 每幀刷新8192點, 對應204.8 ms。根據此條件, 發射波形過程和接收數據處理過程分別需要在160 ms和163 ms內完成。對系統進行了實時性測量, 結果如表2所示, 結果表明發射過程和接收過程滿足實時性要求。

表2 系統實時性測量結果

①取24 000 ~26 000 Hz頻帶內的820個頻點計算加權系數

②按照表1中的參數生成時域副本, 進行FFT保存頻域數據

4.2 湖試實航測試

在千島湖開展了低速運動小目標探測試驗驗證。文中設計的系統搭載在水下航行器上, 30陣元聲吶基陣安裝在航行器的艏部, 低速運動小目標使用應答器進行模擬。應答器對接收到的主動聲吶信號進行幅度調節和頻率搬移, 然后轉發。試驗中, 搭載系統的水下航行器以航速5 m/s進行直航。一共進行了30ping的發射, 文中給出了其中1ping數據的處理結果。該ping數據中, 應答器實際位于航行器水平方位3.1°, 距離1 360 m處。應答器模擬速度1 kn、目標強度3 dB的低速運動小目標。

圖10 湖試數據處理結果

圖11 檢出目標幀(第10幀)模糊圖

在第21、22和23幀當中, 歸一化結果相對較大, 但沒有超過檢測門限, 這是由航道上燈塔反射的回波導致; 燈塔是靜止的, 因此該回波對應的相對速度應為0, 而第21~23幀中, 燈塔的相對速度在±0.132 m/s之間, 這個偏差主要是由于航行器的航速受到水流速度的影響所導致。

5 結束語

文中給出的主動聲吶信號處理系統基于6片C6455的DSP硬件平臺, 設計了合理的任務分配、波束形成、匹配濾波處理方案。具體實現過程中采用優化后的FFT庫、使用SIMD進行并行運算、采用近似求模算法節約了計算時間, 保證了整個處理過程的實時性需求, 實現了BPSK波主動聲吶系統對低速運動小目標探測的實時處理。實航試驗結果表明, 該系統具備搭載于水下移動平臺用于探測低速小目標的能力, 具有廣泛的應用前景。

下一步將重點研究采用單片多核DSP或其他集成度更高的芯片實現該系統的功能, 從而簡化系統的結構, 進一步減少體積、質量及功耗。

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Multi-chip DSP System for Active Sonar Detecting Low-speed Small Targets

ZHANG Shu-hao1,2, MA Xiao-chuan1,2, YANG Li1, ZHAN Fei1,2

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The active sonar equipped on underwater moving platform such as autonomous undersea vehicle(AUV) is easily affected by clutter when it works in shallow water, which makes it hard to detect low-speed small targets. In this paper, the detecting system uses binary phase-shift keying(BPSK) waveform to reduce the clutter. To conquer the high computing burden of BPSK waveform, a signal processor composed of 6 high performance digital signal processor(DSP) chips is used in this paper, and a processing algorithm suitable for the hardware platform is designed, and the software is optimized in real time. Real-time test result shows that the system can complete the processing of one frame of echo data within 160 ms when the pulse width is 200 ms. Lake test verifies that the system can detect the transponder which is pre-arranged at 1 360 m, with a speed of 1 kn and a target strength of 3 dB. Test results show that the detecting system can effectively detect low-speed small targets in complex underwater environment in real time.

autonomous undersea vehicle(AUV); active sonar; digital signal processor(DSP) chip; waveform design; target detection; clutter suppression

TJ630.34; TB566

A

2096-3920(2019)06-0636-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.006

張舒皓, 馬曉川, 楊力, 等. 基于多片高性能DSP的主動聲吶低速運動小目標探測系統[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(6): 636-643.

2018-12-20;

2019-04-19.

張舒皓(1991-), 男, 在讀博士, 主要從事聲吶信號處理和陣列信號處理研究.

(責任編輯: 陳 曦)