丁翠環(huán) 李孟學(xué) 韓 碩

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

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海上試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)*

丁翠環(huán)1李孟學(xué)2韓 碩1

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

利用現(xiàn)代電子技術(shù),對試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)的DSP、FPGA進(jìn)行重新編程和配置,使其在現(xiàn)場功能可變,使聲學(xué)浮標(biāo)由單一功能到可以兼顧多種功能,可以減少浮標(biāo)數(shù)量,放置、使用方便,從總體的角度對浮標(biāo)的多功能設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了全面的論述。

聲學(xué)浮標(biāo); 重編程配置; 多功能設(shè)計(jì)

Class Number TB52+9

1 引言

海上試驗(yàn)專用聲學(xué)浮標(biāo)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(biāo)體,由于其在水聲測量方面的簡便性,在海上試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。研究浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)技術(shù),在不增加體積的條件下,使其能實(shí)現(xiàn)更多的功能,規(guī)范浮標(biāo)的設(shè)計(jì)技術(shù)和方法,對提高浮標(biāo)的可靠性,節(jié)省存放空間、降低經(jīng)費(fèi),意義深遠(yuǎn)。近幾年,隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,大規(guī)模集成電路、DSP、FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍,可以利用軟件動態(tài)改變部件內(nèi)部配置進(jìn)行電路重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種不同用途[1],這些技術(shù)的應(yīng)用使海上試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)的多功能設(shè)計(jì)成為可能。

2 聲學(xué)浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)組成及信號分析

2.1 浮標(biāo)的總體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)采用積木式結(jié)構(gòu),由天線段、支撐桿、浮體、水下電子艙和水聽器及電纜等構(gòu)成。其中水下電子艙內(nèi)設(shè)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(jī)、可充電電池、存儲單元等電子設(shè)備。天線段部分架設(shè)DGPS天線、無線通信天線和航標(biāo)燈。浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 浮標(biāo)的基本功能

浮標(biāo)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(biāo)水聲測量、通信的一種或多種專門的能力。

2.3 聲學(xué)浮標(biāo)的信號

圖1 聲學(xué)浮標(biāo)一般組成示意圖

浮標(biāo)有無線電數(shù)據(jù)傳輸通道和水聲測量通道,主要利用無線電傳輸實(shí)測數(shù)據(jù)及控制命令,用聲傳感器實(shí)測和傳遞水下數(shù)據(jù)。水聲信號有輸入輸出兩個(gè)部分,因測量頻率不同還有多個(gè)頻段,有多路輸入輸出的要求?？赡苡卸鄠€(gè)模擬輸入,如矢量水聽器有VX、VY兩路輸入,雙水聽器時(shí)有P1、P2兩路聲壓輸入。也可能有數(shù)字信號輸入,如壓力傳感器、方位儀數(shù)據(jù)等,數(shù)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(biāo)的水聲信號流程

一般浮標(biāo)水聽器接收的聲信號首先經(jīng)前放接收機(jī)預(yù)處理。前放與水聽器硫化在一起,有一定的放大增益。接收機(jī)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(dá)ADC、DSP處理電路,由16bit高精度ADC和兩片TMS320VC5402構(gòu)成水聲信號處理器子系統(tǒng)。信號處理子系統(tǒng)的主要任務(wù)為: 1) 檢測信號并測量到達(dá)時(shí)刻,爭取實(shí)現(xiàn)盡可能低的檢測閾,以便有盡可能遠(yuǎn)的作用距離。 2) 可以跟蹤多目標(biāo)。信號經(jīng)處理后形成結(jié)果保存在中心處理單元并由無線電數(shù)據(jù)發(fā)送回基站。 3) 多路水聲輸入輸出信號的處理。

發(fā)送的信號由水聲DSP產(chǎn)生經(jīng)DAC、發(fā)射機(jī)、功放電路到發(fā)射換能器發(fā)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(xué)浮標(biāo)信號流程框圖如圖2所示。

圖2 聲學(xué)浮標(biāo)信號一般流程

3 浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)浮標(biāo)都是專用浮標(biāo),一種浮標(biāo)只有一種特定的功能。沒有多功能浮標(biāo)的原因在于浮標(biāo)功能多浮標(biāo)體積勢必做得很大,影響使用,而且多功能在技術(shù)上融合難度大,沒有專用浮標(biāo)專門設(shè)計(jì)簡單,配屬的單位也不同,這樣導(dǎo)致已有擬建的浮標(biāo)系統(tǒng)很多,形成資源的浪費(fèi)。在不增加浮標(biāo)的體積下,實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)多種用途的途徑就是浮標(biāo)的多功能設(shè)計(jì)。

3.1 浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)定義

浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)是指不改變浮標(biāo)的總體結(jié)構(gòu)和硬件主要配置,通過改變外設(shè)配置、內(nèi)部電路部件選擇、DSP及軟件配置而使浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)水聲不同頻段水聲通信、應(yīng)答、不同類型目標(biāo)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(shí)現(xiàn)。浮標(biāo)多功能的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 浮標(biāo)多功能實(shí)現(xiàn)流程

3.2 整體電氣結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì),做到總線接口標(biāo)準(zhǔn),特定模塊、通用模塊分開。內(nèi)部電氣整體結(jié)構(gòu)采用104總線寶塔型結(jié)構(gòu)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)可選部件,按需求安裝或通過主控軟件選擇配置。浮標(biāo)功能由不同的水聲處理軟件及不同的硬件配置實(shí)現(xiàn)。

其中DGPS、定位、授時(shí)同步、無線擴(kuò)頻通信、電源控制、中心控制單元、數(shù)據(jù)儲存部件為系統(tǒng)基本模塊,主要完成浮標(biāo)自身定位、系統(tǒng)時(shí)間同步、無線電數(shù)傳、電源控制、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)配置控制等功能。水聲DSP、ADC、DAC、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)為內(nèi)部可選擇配置部件,完成水聲測量和發(fā)送、信號預(yù)處理、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)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(xiàn)場配置,接收及發(fā)射部分可在浮標(biāo)體內(nèi)部選擇。功放和接收水聽器或發(fā)射換能器為浮標(biāo)外部可選擇部件,根據(jù)試驗(yàn)要求通過電纜連接于浮標(biāo)外部,完成水聲信號的功率放大、接收和發(fā)送。

4 聲學(xué)浮標(biāo)多功能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 浮標(biāo)多功能的共同部件設(shè)計(jì)

共同部件指無需再配置部分,為浮標(biāo)的基本組成之一,此部分以中心處理單元為核心,除實(shí)現(xiàn)定位、數(shù)傳、時(shí)間同步、處理、存儲等功能外,還實(shí)現(xiàn)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(biāo)水聲測量模式。主要由DSP中心處理器、CF儲存卡、DGPS定位守時(shí)、通信部件、門控電路組成。水聲測量功能實(shí)現(xiàn)軟件(主要為聲學(xué)DSP、FPGA配置軟件)全部放在CF卡上,系統(tǒng)接收控制指令把某特定功能軟件調(diào)出配置在聲學(xué)處理板上以實(shí)現(xiàn)水聲測量功能。設(shè)計(jì)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(tǒng)基本程序流程

4.2 浮標(biāo)聲信號處理部分設(shè)計(jì)

聲信號處理板是浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,主要由聲學(xué)信號處理DSP、數(shù)據(jù)接口FPGA電路、DAC、ADC、水聲信號調(diào)理放大電路、水聲發(fā)射及接收電路組成。對于水聲測量,DAC、ADC的時(shí)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(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

該部分設(shè)計(jì)的關(guān)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(jìn)行重編程,由相應(yīng)的FPGA配置軟件對數(shù)據(jù)接口SRAM FPGA進(jìn)行重配置,即可改變系統(tǒng)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(yīng)水聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的配置的流程如圖6所示。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖6 系統(tǒng)的配置流程

水聲DSP數(shù)據(jù)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(jié)果都是不同的,但最后的數(shù)據(jù)流都向主控中心發(fā)送。圖7是某測量系統(tǒng)聲學(xué)DSP的信號處理部分流程。

圖7 彈道測量系統(tǒng)聲學(xué)DSP的信號處理流程

SRAM FPGA的重新配置也不復(fù)雜,主要對其CONF-DON、nSTATUS、nCONFIG引腳的讀寫控制,數(shù)據(jù)通過DATA0引腳寫入,時(shí)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(xué)外部可選擇部件及連接插頭的設(shè)計(jì)

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(fā)射換能器等可以把相關(guān)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(shí)現(xiàn)其外部的特殊功能,減少浮標(biāo)的內(nèi)部體積。

故必須對浮標(biāo)的電纜外接頭的引腳進(jìn)行規(guī)范,定義1～8腳為聲模擬信號輸入腳,9～12為數(shù)字、模擬電源腳,13～14數(shù)字信號角,15～19為聲模擬信號輸出腳等。

5 結(jié)語

文章論述了海上試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)由單一功能轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ艿脑O(shè)計(jì)方法。利用現(xiàn)代電子技術(shù),對試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)的DSP進(jìn)行重編程、FPGA進(jìn)行重配置,使浮標(biāo)功能在現(xiàn)場可改變,使浮標(biāo)由單一水聲測量功能發(fā)展成為可以兼顧多種水聲測量功能,解決了浮標(biāo)數(shù)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(huán),女,高級工程師,研究方向:水聲測量技術(shù)。李孟學(xué),男,工程師,研究方向:水下定位導(dǎo)航技術(shù)。韓碩,女,碩士研究生,助理工程師,研究方向:水聲測量技術(shù)。

TB52+9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.036