黃其培

（昆明船舶設(shè)備研究中心 云南 昆明　650051）

水面艦船目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃其培

（昆明船舶設(shè)備研究中心 云南 昆明650051）

文中詳細(xì)論述了系統(tǒng)的工作原理和研制內(nèi)容，根據(jù)系統(tǒng)的功能及實(shí)際工程應(yīng)用需求，在研究艦船輻射噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及其特性基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)采用超低功耗硬件實(shí)現(xiàn)方案，采用LOFAR分析方法對(duì)水面艦船目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。最終通過(guò)運(yùn)用湖上艦船航行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及海上的工程應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了有效論證，證明了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

艦船輻射噪聲；目標(biāo)檢測(cè)；低功耗；LOFAR

在我國(guó)近海岸輸油、氣管道常常會(huì)因?yàn)椴幻鞔辉诟浇┕ぁ⒆鳂I(yè)或拋錨等危險(xiǎn)行為而造成破壞，為了更好的保護(hù)海底管道，因而需要在沿管道附近的水域建立一套安防系統(tǒng)，檢測(cè)過(guò)往船只航行狀態(tài)，對(duì)危險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，并把報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，以便安防管理人員快速響應(yīng)報(bào)警情況，從而有效保護(hù)海底管道的安全。目前，國(guó)內(nèi)外有許多使用圖像和視頻的方法來(lái)檢測(cè)艦船，但在功耗、硬件實(shí)現(xiàn)等方面受到制約［1］。

鑒于此，通過(guò)結(jié)合水聲技術(shù)，提出了采用水聲與雷達(dá)、視頻聯(lián)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案，利用水聲被動(dòng)測(cè)量可長(zhǎng)期工作的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海管沿線水面、水下目標(biāo)的前期聲學(xué)預(yù)警，再利用岸基雷達(dá)的短期主動(dòng)掃描，獲取水面可疑目標(biāo)的準(zhǔn)確參數(shù)，而視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備則用于雷達(dá)近端監(jiān)測(cè)盲區(qū)的補(bǔ)充測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道附近水域進(jìn)行全天候無(wú)死角的全方位監(jiān)測(cè)。

文中主要論述水聲監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)的信號(hào)處理軟硬件設(shè)計(jì)，即基于浮標(biāo)的海上艦船目標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其主要功能包括：實(shí)現(xiàn)海上目標(biāo)聲學(xué)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)識(shí)別，判斷目標(biāo)有無(wú)及目標(biāo)狀態(tài)；根據(jù)船只航行和作業(yè)等不同的頻譜特性判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近是否有船只長(zhǎng)時(shí)間停留或作業(yè)等危險(xiǎn)存在；如有危險(xiǎn)存在，通過(guò)北斗數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備向指控中心機(jī)房傳送報(bào)警信息。此外該預(yù)警系統(tǒng)還具有位置、電池電壓等信息讀取和發(fā)送功能以及對(duì)北斗模塊的控制功能。艦船目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別分系統(tǒng)結(jié)合其它的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效降低海管被外部不明船只在附近施工、作業(yè)或拋錨等危險(xiǎn)行為造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

艦船目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是由浮標(biāo)系統(tǒng)陣來(lái)完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的初步監(jiān)測(cè)，并將結(jié)果以無(wú)線通信的方式上傳至岸基顯控系統(tǒng)，岸基系統(tǒng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，以決定是否開(kāi)啟雷達(dá)掃描。

系統(tǒng)工作原理為：首先在海上沿管道走向布放浮標(biāo)陣，每個(gè)浮標(biāo)上安裝水聽(tīng)器，通過(guò)將水聽(tīng)器接收到的聲信號(hào)傳送到信號(hào)處理系統(tǒng)（模擬和數(shù)字）處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別，當(dāng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)目標(biāo)時(shí)通過(guò)北斗模塊上傳報(bào)警信息。整個(gè)系統(tǒng)由基陣、浮標(biāo)系統(tǒng)、顯控系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)

信號(hào)處理機(jī)是艦船目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其的主要功能包括：進(jìn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理，并完成目標(biāo)的檢測(cè)和作業(yè)狀態(tài)識(shí)別；在設(shè)定時(shí)間開(kāi)啟北斗模塊電源，完成電池電壓測(cè)量，并將電壓信息、北斗位置信息以及報(bào)警信息等傳回；定時(shí)或在收到新指令時(shí)關(guān)閉北斗模塊電源；通過(guò)串口（或其它）可對(duì)工作中的設(shè)備在線調(diào)整識(shí)別門限、選擇識(shí)別準(zhǔn)則，以保證設(shè)備工作的狀態(tài)最佳。根據(jù)上述功能要求，硬件系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

2.2DSP與FPGA外設(shè)接口設(shè)計(jì)

TMS320C5535提供的外設(shè)接口有兩個(gè) SD外設(shè)、4個(gè)I2SBusTM模塊、一個(gè)具有多達(dá)4種芯片選擇的SPI接口、一個(gè)I2C接口、一個(gè)通用異步收發(fā)器（UART）以及多達(dá)20個(gè)通用I/O（GPIO）引腳（與其他器件功能多路復(fù)用）［2］。對(duì)于本系統(tǒng)，DSP通過(guò)FPGA與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，而DSP接口多為串行接口與FPGA連接方便擴(kuò)展。包括DSP給FPGA進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和將FPGA完成簡(jiǎn)單處理的數(shù)據(jù)傳送給DSP。

DSP與FPGA的外部接口電路，如圖3所示。本次設(shè)計(jì)在DSP提供的眾多外設(shè)IO中，我們最主要用到了UART接口、I2S接口以及GPIO來(lái)與FPGA進(jìn)行交互。其中，UART接口用來(lái)與北斗模塊進(jìn)行基于RS232的串口通信；I2S接口用來(lái)與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；GPIO則用來(lái)控制北斗模塊電源的開(kāi)關(guān)以及AGC增益的輸出。其他沒(méi)有用到的GPIO引腳都將它連至FPGA的IO上，方便系統(tǒng)以后的擴(kuò)展與修改。而SPI接口和I2C接口作為片外存儲(chǔ)器接口，也通過(guò)零電阻連至FPGA，在不使用時(shí)不焊接零電阻即可，增加了系統(tǒng)的靈活性與擴(kuò)展性。

圖1　艦船目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別系統(tǒng)的框圖

圖2　信號(hào)處理機(jī)硬件框圖

圖3　DSP與FPGA接口電路圖

3　LOFAR分析

利用高階統(tǒng)計(jì)量可以證明艦船輻射噪聲信號(hào)是非平穩(wěn)、非高斯的。因此，單純地依靠時(shí)域或頻譜分析方法來(lái)提取輻射噪聲的特征在很多時(shí)候可能會(huì)掩蓋目標(biāo)的某些局部時(shí)頻特征。而且由于艦船噪聲主要集中于低頻端，軸頻及其倍頻等低頻端譜特征可能淹沒(méi)在海洋噪聲背景中，而無(wú)法直接獲取［3］。

LOFAR譜圖是根據(jù)水聲目標(biāo)輻射噪聲的局部平穩(wěn)特性，通過(guò)信號(hào)短時(shí)傅立葉變換獲得的時(shí)變功率譜在時(shí)間、頻率平面上投影形成的，反映了信號(hào)的非平穩(wěn)特性，能夠提取信號(hào)中的線譜分布特征［4］。

LOFAR譜圖分析實(shí)際上就是短時(shí)傅立葉后，在頻譜圖上進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的一種方法。對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行LOFAR譜圖分析時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的分段處理。數(shù)據(jù)的分段大小與需要進(jìn)行的任務(wù)密切相關(guān)，當(dāng)需要進(jìn)行目標(biāo)的種類或者更精細(xì)的目標(biāo)特征分析時(shí)，希望LOFAR譜圖的分辨率越高越好，但是分辨率高需要付出較高的硬件代價(jià)。如果僅僅是檢測(cè)目標(biāo)大小或者有無(wú)目標(biāo)，LOFAR圖的頻率分辨率可以適當(dāng)降低以適應(yīng)相應(yīng)的硬件條件［5］。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件總體設(shè)計(jì)

艦船目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別系統(tǒng)的硬件構(gòu)成是DSP+FPGA的經(jīng)典方式，因此，系統(tǒng)軟件也由兩大部分組成，即FPGA的軟件設(shè)計(jì)和DSP的軟件設(shè)計(jì)。FPGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的AD采集與預(yù)處理［6］。DSP則負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程控制、信號(hào)處理算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，以及與上位機(jī)的通信交互。艦船目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別系統(tǒng)的程序流程圖，如圖4所示。

圖4　艦船目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別系統(tǒng)的程序流程框圖

4.2基于線譜的目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別

線譜特征是運(yùn)動(dòng)艦船的固有特征，通過(guò)檢測(cè)艦船的線譜特征可以進(jìn)行有無(wú)運(yùn)動(dòng)艦船的判別及其目標(biāo)狀態(tài)的識(shí)別。圖5給出了基于線譜的目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別流程圖。

圖5　基于線譜的目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別流程圖

通過(guò)艦船線譜特征，首先通過(guò)檢測(cè)線譜幅度，判斷是否有目標(biāo)出現(xiàn)，然后根據(jù)線譜的數(shù)目和頻率，進(jìn)一步區(qū)別不同的目標(biāo)，最后通過(guò)目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)間和目標(biāo)消失的時(shí)間，判斷目標(biāo)船只是否停航拋錨、作業(yè)等危險(xiǎn)情況，或是目標(biāo)船只航行遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)區(qū)域。

5　試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證LOFAR方法的檢測(cè)性能，進(jìn)行了湖上試驗(yàn)驗(yàn)證。在試驗(yàn)中，湖況為三級(jí)，并將接收系統(tǒng)置于位于湖中的測(cè)量船上，接收水聽(tīng)器入水4 m，接收系統(tǒng)的放大倍數(shù)2 500倍，接收頻帶50 Hz～5 kHz。測(cè)量過(guò)程中目標(biāo)船按圖6的規(guī)劃路徑行徑。

目標(biāo)船從A點(diǎn)啟動(dòng)，沿AB段規(guī)劃路徑航行。對(duì)該段航行的水聲數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅立葉分析，得到其LOFAR圖，如圖7所示。在250 Hz以下，主要表現(xiàn)為連續(xù)譜噪聲，而從250 Hz到800 Hz，輻射噪聲以線譜為主，比較明顯的線譜有10余根常，隨著目標(biāo)接近，線譜的越來(lái)越大，隨著目標(biāo)漸遠(yuǎn)，線譜也慢慢消失。

目標(biāo)船從B點(diǎn)轉(zhuǎn)彎，沿BD段規(guī)劃路徑航行，在C點(diǎn)停車。整個(gè)航行過(guò)程的LOFAR圖如圖7所示，其輻射噪聲的頻率分布清晰可見(jiàn)，由于目標(biāo)船在航行點(diǎn)（C點(diǎn)）停車，圖示可知，在約1 010秒附近，艦船輻射噪聲突然消失，尤其是線譜，其主要線譜變成6根，通過(guò)AB段航行輻射噪聲與C停車的線譜對(duì)比分析，線譜的頻率不完全一致，說(shuō)明艦船的速度有急劇變化，由此可判斷A點(diǎn)到D點(diǎn)航行過(guò)程中，C點(diǎn)停車。

圖6　艦船噪聲測(cè)量試驗(yàn)跑船示意圖

圖7　目標(biāo)船AD段航行過(guò)程中的LOFAR圖譜

目標(biāo)船從D點(diǎn)加速、轉(zhuǎn)彎，沿DF段規(guī)劃路徑航行，在約2 km處的E點(diǎn)停車。目標(biāo)船的加速、轉(zhuǎn)彎過(guò)程的LOFAR圖如圖8所示。由LOFAR圖可以明顯看出，目標(biāo)船開(kāi)始航行進(jìn)行了比較大加速、轉(zhuǎn)彎，其線譜變成一條連續(xù)變化的曲線。

圖8　目標(biāo)船加速航行、轉(zhuǎn)彎及停車

綜上所述，通過(guò)對(duì)研制樣機(jī)的試驗(yàn)，基于LOFAR的目標(biāo)線譜檢測(cè)和狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)能夠很好的反應(yīng)目標(biāo)船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和距離，通過(guò)海上現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、試驗(yàn)和運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，穩(wěn)定、可靠，最終本系統(tǒng)通過(guò)了工程驗(yàn)收。

6　結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)樣機(jī)首先通過(guò)湖上試驗(yàn)，通過(guò)LOFAR分析，能夠很好檢測(cè)目標(biāo)船只，并判斷目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，隨后在海上進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，能較好的檢測(cè)和識(shí)別目標(biāo)船只的航行狀態(tài)，并對(duì)危險(xiǎn)情況實(shí)時(shí)上傳海岸監(jiān)控中心，系統(tǒng)檢測(cè)概率達(dá)到90%以上，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試功耗約150 mW，可以長(zhǎng)時(shí)間工作，滿足系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)了最后工程驗(yàn)收，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］趙延安，張效民，姚運(yùn)啟，等.艦船輻射噪聲功率譜特征提取及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010（8）:1821-1824.

［2］彭啟琮，武樂(lè)琴，張艦，等編譯.TMS320VC55X系列DSP的CPU與外設(shè)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理［M］：哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，1993.

［4］宋振宇，丁勇鵬，趙秀麗，等.基于LOFAR譜圖的水下目標(biāo)識(shí)別方法［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26（3）:283-286.

［5］李秀坤，楊士莪.水下目標(biāo)特征提取方法研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22（1）:25-29.

［6］高西全，丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理［M］：西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

Detection and recognition system design of ship on the water surface

HUANG Qi-pei
（Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center，Kunming 650051，China）

This paper discusses in detail the research contents and the working principle of the system，according to the function of the system and the practical application demand，in the research of ship radiated noise generation mechanism and characteristic foundation，the system uses ultra low power hardware implementations，to detect the surface ship target using LOFAR and correlation detection method.Finally through the engineering application of the lake ship measured data and the sea，on the performance of the system effectively demonstrated，the reliability and stability of the system is proved，meet the design requirements of the system，has high engineering application value.

ship radiated noise；target detection；ultra low power consumption；LOFAR

TN929.5

A

1674-6236（2016）14-0161-04

2015-07-08稿件編號(hào)：201507070

黃其培（1986—），男，四川內(nèi)江人，碩士，工程師。研究方向：水下航行體軌跡跟蹤。