楊 威，李 迪，趙極遠(yuǎn)

（哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

21世紀(jì)是一個(gè)船舶工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)層面還是從軍事層面，都對(duì)船舶和水下潛器的定位與導(dǎo)航技術(shù)提出了新的要求。從經(jīng)濟(jì)層面來(lái)講，從事海洋運(yùn)輸行業(yè)的艦船航行中需要高精度的速度信息，對(duì)高性能定位導(dǎo)航設(shè)備需求迫切；從軍事層面來(lái)講，水下潛器需要合適的速度測(cè)量設(shè)備保障水下保密航行。因此，開(kāi)發(fā)依據(jù)聲學(xué)原理的水下測(cè)速設(shè)備具有積極的意義[1]。

在水聲定位與導(dǎo)航領(lǐng)域，目前主要依賴于多普勒計(jì)程儀實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。多普勒計(jì)程儀是利用聲波測(cè)量艦船絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的設(shè)備。在已知艦船起始位置和航向信息的情況下，能夠通過(guò)推算為艦船提供位置信息。寬帶發(fā)射信號(hào)相對(duì)于窄帶發(fā)射信號(hào)具有更高的頻率分辨率，回波能夠攜帶更多的頻移信息，從而更有利于速度信息的測(cè)量。面對(duì)大量數(shù)據(jù)的高速處理，使用FPGA(Field Programmable Gate Array)代替?zhèn)鹘y(tǒng)DSP(Digital Signal Processor)可以更好地完成接收信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，這也是本論文研究的出發(fā)點(diǎn)。

1 多普勒測(cè)速聲納原理

當(dāng)收發(fā)合置換能器相對(duì)于海底運(yùn)動(dòng)時(shí)，換能器接收到的反射信號(hào)頻率將會(huì)高于或者低于發(fā)射信號(hào)的頻率，這種由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的接收頻率改變的現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)[2]。設(shè)聲速為c，收發(fā)合置換能器發(fā)射頻率為fT的脈沖，艦船在海面上以水平速度分量vx向前運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，接收信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的多普勒頻移為：

由式(1)可知，在 fT、α、c已知的前提下，就可以根據(jù)多普勒頻移fdI計(jì)算出艦船運(yùn)動(dòng)速度vx。

2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

在以FPGA為核心的系統(tǒng)上完成多普勒測(cè)速聲納數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)帶通濾波、波束形成、相關(guān)運(yùn)算等信號(hào)處理算法。系統(tǒng)由4個(gè)模塊組成，包括A/D（Analog to Digital）采樣控制模塊、帶通濾波模塊、波束形成模塊和相關(guān)運(yùn)算模塊，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 采樣控制模塊

FPGA控制4片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8361完成8路數(shù)據(jù)采集，每片ADS8361包含左右兩個(gè)通道。結(jié)合ADS8361時(shí)序設(shè)計(jì)A/D采樣控制模塊，在采集數(shù)據(jù)完成后，8路數(shù)據(jù)輸出至帶通濾波模塊。

2.3 帶通濾波模塊

帶通濾波器的中心頻率為40 kHz，帶寬為 70 kHz。 濾波器通帶內(nèi)的波動(dòng)為3 dB，阻帶內(nèi)衰減為30 dB。中心頻率為280 kHz的偽隨機(jī)信號(hào)通過(guò)濾波器，低于5 kHz和高于75 kHz的頻率分量通過(guò)濾波器之后被過(guò)濾掉，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波。

2.4 波束形成模塊

根據(jù)相控陣波束形成的特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)出如圖2所示的FPGA波束形成接收框圖。信號(hào)乘“-1”實(shí)現(xiàn)“相控陣移相 π 相位”，希爾伯特（Hilbert）變換實(shí)現(xiàn)“移相 π/2”，這種相移方式下信號(hào)相位的移動(dòng)不受頻率的影響，適合處理寬帶信號(hào)。采用ModelSim進(jìn)行功能仿真，得到波束1和波束2兩路輸出，如圖3所示。波束1輸出信號(hào)上得到了同相疊加，而波束2輸出的信號(hào)被反相抑制。

2.5 相關(guān)運(yùn)算模塊

為了準(zhǔn)確檢測(cè)回波信號(hào)的到達(dá)，需對(duì)波束形成模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。為保證實(shí)時(shí)性，四個(gè)乘法器并行運(yùn)算，控制模塊將數(shù)據(jù)存入RAM，讀取ROM中數(shù)據(jù)和RAM輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行乘加運(yùn)算，ROM輸出數(shù)據(jù)順序調(diào)整由交叉開(kāi)關(guān)完成，運(yùn)算結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[3]。ModelSim進(jìn)行功能仿真如圖5所示，輸入信號(hào)datain_a輸入3 200個(gè)數(shù)據(jù)后，輸出的相關(guān)運(yùn)算值sum出現(xiàn)最大值。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

系統(tǒng)輸入寬帶偽隨機(jī)信號(hào)，SignalTapII采集到波束形成和相關(guān)運(yùn)算輸出信號(hào)波形如圖6、圖7所示。圖6中輸出的1路、3路信號(hào)上得到了同相疊加的輸出，而2路、4路信號(hào)輸出被反相抑制；圖7中輸出1路信號(hào)觀察到相關(guān)運(yùn)算峰值，說(shuō)明此刻相關(guān)程度最大。信號(hào)處理結(jié)果均與ModelSim的仿真結(jié)果相一致，說(shuō)明算法正確實(shí)現(xiàn)了預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 偽隨機(jī)信號(hào)波束形成4路輸出

圖7 偽隨機(jī)信號(hào)相關(guān)運(yùn)算2路輸出

該設(shè)計(jì)摒棄了窄帶發(fā)射回波信號(hào)僅能攜帶少量頻移信息的缺點(diǎn)，創(chuàng)新性地使用偽隨機(jī)寬帶發(fā)射信號(hào)，并且針對(duì)寬帶信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合處理寬帶信號(hào)的帶通濾波、波束形成和相關(guān)運(yùn)算算法。在Altera StratixII FPGA上運(yùn)行算法，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了算法的正確性。與傳統(tǒng)的單純窄帶信號(hào)相比，寬帶測(cè)速技術(shù)極大地提高了水聲測(cè)量的抗干擾能力以及測(cè)速精度。

[1]張占陽(yáng).寬帶多普勒計(jì)程儀測(cè)頻方法及其軟件設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[2]田坦，劉國(guó)枝，孫大軍．聲吶技術(shù)[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000：156-169.

[3]褚迎東.基于FPGA的相控陣波束形成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.