柳赫楠

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一種聲吶用多通道相控掃描信號(hào)源的設(shè)計(jì)

柳赫楠

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展，基陣發(fā)射波形也多種多樣。為了適應(yīng)這種多樣化的需求，設(shè)計(jì)了一種可編程的多通道相控掃描信號(hào)源。該信號(hào)源采用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field- Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)結(jié)合的方式，應(yīng)用DSP計(jì)算各個(gè)波束的波形數(shù)據(jù)及其各通道的延時(shí)，應(yīng)用FPGA的精確延時(shí)形成各個(gè)波束。該設(shè)計(jì)指向精度高，可生成任意信號(hào)波形，任意配置波束組合，可下載并存儲(chǔ)預(yù)成波形，對(duì)波形加窗函數(shù)，可實(shí)時(shí)對(duì)延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償和校準(zhǔn)，并能夠多個(gè)信號(hào)源協(xié)同工作。在實(shí)際應(yīng)用中得到了成功驗(yàn)證，具有很大的改進(jìn)潛力和廣闊的應(yīng)用前景。

多通道；信號(hào)源；主動(dòng)聲吶；波束形成

0 引言

主動(dòng)聲吶發(fā)射某種形式的聲信號(hào)，利用信號(hào)的回波來探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)，并測(cè)量和估計(jì)目標(biāo)的方位、距離、速度等參量[1]。隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)聲吶的發(fā)射波形也多種多樣。為提高主動(dòng)聲吶的作用距離，較精確地確定目標(biāo)的方位，常用相控陣發(fā)射技術(shù)，即在聲吶信號(hào)源中采用了多波束技術(shù)，這些都對(duì)聲吶信號(hào)源的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

根據(jù)主動(dòng)聲吶的實(shí)際需求，本信號(hào)源需要實(shí)現(xiàn)的基本功能包括：通過通信接口下載、設(shè)置參數(shù)和數(shù)據(jù)；可選擇信號(hào)類型，包括正弦波、線性調(diào)頻信號(hào)、雙曲調(diào)頻信號(hào)，以及下載的預(yù)成的隨機(jī)信號(hào)等；可設(shè)置信號(hào)的中心頻率、帶寬、脈寬等參數(shù)；可設(shè)置波束的數(shù)目、各波束的波形類型、方向和順序；可選擇信號(hào)的加窗函數(shù)；可設(shè)置掃描周期；72通道輸出；可設(shè)置各個(gè)通道的幅度、使能、起止序號(hào)；提供同步輸入和同步輸出；可根據(jù)搖擺角度數(shù)據(jù)進(jìn)行水平波束的補(bǔ)償；可根據(jù)船速數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償；外部可對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行相位校準(zhǔn)；可設(shè)置聲速、陣元間距；系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)。由此，本文提出了一種DSP和FPGA相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)多通道相控信號(hào)源，并詳細(xì)介紹了其軟硬件設(shè)計(jì)。

1 基本原理

多通道相控掃描信號(hào)源即是要完成多通道的發(fā)射波束形成。聲吶波束形成的目的，是使多陣元構(gòu)成的基陣經(jīng)適當(dāng)處理得到在預(yù)定方向的指向性。對(duì)于一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)，具有指向性意味著發(fā)射能量可集中在某一個(gè)方向，這樣可以用較小的發(fā)射功率探測(cè)更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。

發(fā)射波束形成的基本原理可敘述為，對(duì)多元陣陣元發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)延或相移補(bǔ)償，使對(duì)預(yù)定方向的發(fā)射信號(hào)形成同相相加。如圖1所示，有間距為的陣元0和陣元1，發(fā)射出射方向?yàn)榈钠矫娌?，若聲速為，信?hào)中心頻率為，則兩個(gè)陣元的相對(duì)時(shí)延，相位差。它們相應(yīng)的改變即會(huì)產(chǎn)生不同的出射角。

當(dāng)發(fā)射通道數(shù)量比較大時(shí)，每個(gè)通道相位差基本都不同，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)就需要大量的計(jì)算，所以本文通過計(jì)算各通道延時(shí)來形成波束，只需要生成一個(gè)基礎(chǔ)波形。若按信號(hào)的中心頻率的1/2波長(zhǎng)布陣，則兩個(gè)陣元的相對(duì)時(shí)延，當(dāng)為20 kHz、指向精度為0.2°時(shí)，約為87.3 ns，即發(fā)射的延時(shí)精度要小于87.3 ns。當(dāng)有豎直布陣時(shí)，橫搖補(bǔ)償即是對(duì)每個(gè)通道的時(shí)延進(jìn)行校準(zhǔn)，使波束保持水平方向。

此次信號(hào)源應(yīng)用于一個(gè)豎直3排陣元、水平24列陣元的平面陣。豎直方向的陣元形成的波束用于矯正船的搖擺，使波束保持水平方向，由水平方向的陣元完成各個(gè)水平角度波束的掃描。

根據(jù)需求，發(fā)射信號(hào)的總長(zhǎng)度相對(duì)掃描周期比較小，可以在掃描前根據(jù)要求計(jì)算好所有波束的波形數(shù)據(jù)，包括補(bǔ)償船速的多普勒頻移、波束的加窗。形成波束時(shí)，依次根據(jù)各通道的精確延時(shí)形成相應(yīng)的波束，并可以在每個(gè)波束前，根據(jù)橫搖角補(bǔ)償各個(gè)通道的延時(shí)。實(shí)現(xiàn)原理如圖2。

2 硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)源系統(tǒng)核心由一片浮點(diǎn)DSP和一片F(xiàn)PGA組成。外置大容量RAM和ROM存儲(chǔ)臨時(shí)和預(yù)置數(shù)據(jù)，利用RS485或以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，DSP負(fù)責(zé)接收命令并配置系統(tǒng)狀態(tài)、生成和存儲(chǔ)基礎(chǔ)波形數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA根據(jù)配置控制同步和各個(gè)數(shù)模通道，完成多通道的波束形成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3中，DSP為系統(tǒng)主控芯片，選用TI公司的TMS320VC6747浮點(diǎn)DSP[2]，主頻可達(dá)300 MHz，片上RAM達(dá)128 kB，浮點(diǎn)性能優(yōu)秀、外部接口豐富、功耗低。它負(fù)責(zé)對(duì)外控制接口和板內(nèi)控制，以及波束形成參數(shù)的計(jì)算、原始信號(hào)的實(shí)時(shí)生成。它的EMIFB接口連接DRAM存儲(chǔ)器，通過EMIFA接口連接FPGA的交互空間和FLASH存儲(chǔ)器，并通過UART和EMAC接口連接到RS485和百兆以太網(wǎng)。根據(jù)算法，該DSP的處理能力可以達(dá)到200 kHz，甚至更高的采樣率。

FPGA負(fù)責(zé)與發(fā)射端的接口，對(duì)DSP傳來的原始波形數(shù)據(jù)和參數(shù)，利用精確時(shí)延同步形成波束。精確時(shí)延頻率為80 MHz(時(shí)延精度可到12.5 ns)，內(nèi)部數(shù)據(jù)緩存根據(jù)200 kHz的信號(hào)采樣率，需要至少可以容納72個(gè)通道最大延時(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)量。芯片選用Xilinx公司的XC5VLX50-FFG676[3]，該芯片資源充足、容易進(jìn)行開發(fā)擴(kuò)展。FPGA實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

除了讀寫時(shí)序，與DSP之間的通信控制主要包括：數(shù)據(jù)請(qǐng)求中斷INT，波形數(shù)據(jù)打包傳送，當(dāng)可用波形數(shù)據(jù)達(dá)到一定低值時(shí)則對(duì)DSP發(fā)送該請(qǐng)求；控制響應(yīng)CTL，由DSP輸入，有效后則開始波束形成準(zhǔn)備，并可以響應(yīng)同步觸發(fā)波束形成；以及使能信號(hào)EN和軟復(fù)位信號(hào)RST，可關(guān)斷和重置FPGA。

配置控制根據(jù)DSP的設(shè)置確定其他模塊的工作方式，如同步方式、通道選通、波束起止等。另外，配置控制要定期通過溫度傳感器接口更新其中的溫度寄存器，以備DSP訪問系統(tǒng)溫度狀態(tài)。

同步控制可配置同步源的方向(內(nèi)部、外部)，同步源的類型(掃描同步、波束同步)，是否輸出，以此來同步波束形成的時(shí)序。

波束形成模塊在同步觸發(fā)后，根據(jù)波束起止參數(shù)標(biāo)定波形數(shù)據(jù)的頭尾，并根據(jù)各個(gè)通道時(shí)延緩存數(shù)據(jù)的不同，讀取相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)到各個(gè)通道數(shù)據(jù)緩存。

3 軟件設(shè)計(jì)

用戶通過RS485或以太網(wǎng)口下載掃描的所有參數(shù)給DSP，DSP判斷是否更新相應(yīng)配置，沒有更新的按照上次或默認(rèn)參數(shù)配置。根據(jù)配置，DSP依順序計(jì)算各個(gè)波束的基本波形數(shù)據(jù)，或者讀取存好的預(yù)成的波形數(shù)據(jù)至?xí)捍嫫?，?jì)算每個(gè)波束中各個(gè)通道的時(shí)延參數(shù)，更新FPGA控制參數(shù)寄存器，包括同步源的配置、掃描的配置、通道的配置、第一波束的延時(shí)配置和數(shù)據(jù)數(shù)量。掃描同步信號(hào)到來后，傳送給FPGA第一幀波形數(shù)據(jù)，之后每個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求中斷依次傳送一幀數(shù)據(jù)，并在下一波束數(shù)據(jù)傳送之前，更新各通道的延時(shí)和波束設(shè)置，如此直到本次掃描結(jié)束。系統(tǒng)工作時(shí)序圖如圖5。

圖5中，數(shù)據(jù)傳輸為DSP傳送一幀數(shù)據(jù)給FPGA，除掃描同步前的第一幀直接由DSP傳送外，其他皆由FPGA中斷DSP發(fā)起傳輸，直到當(dāng)前掃描各波束數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。當(dāng)脈寬數(shù)據(jù)量不大于一幀時(shí)，則沒有后續(xù)FPGA觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸。

參數(shù)更新窗口為兩幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隙時(shí)間，其間可以根據(jù)更新的橫搖數(shù)據(jù)，在下一波束形成前，對(duì)各通道延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。

參數(shù)更新及數(shù)據(jù)計(jì)算窗口時(shí)間內(nèi)，可以根據(jù)新接收到的或者掃描期間的命令更新配置參數(shù)，并計(jì)算波形數(shù)據(jù)留待波束形成時(shí)傳送給FPGA。當(dāng)收到預(yù)成波形數(shù)據(jù)及其相關(guān)配置時(shí)，DSP把數(shù)據(jù)寫入外部存儲(chǔ)器的FLASH中，并進(jìn)行編號(hào)。此時(shí)，F(xiàn)PGA不響應(yīng)也不發(fā)起同步信號(hào)。

掃描同步、波束同步可以由FPGA根據(jù)設(shè)置產(chǎn)生，或者由外部同步來觸發(fā)。

系統(tǒng)軟件分成DSP和FPGA兩部分。

如前所述，DSP負(fù)責(zé)接收命令并配置系統(tǒng)狀態(tài)、生成和存儲(chǔ)基礎(chǔ)波形數(shù)據(jù)、計(jì)算各波束各通道延時(shí)參數(shù)等。軟件流程框圖如圖6所示。DSP收到控制命令后，返回溫度及信號(hào)源狀態(tài)信息，在當(dāng)前掃描結(jié)束后處理命令并計(jì)算相關(guān)參數(shù)。此時(shí)若沒有命令更新，則按照上次或默認(rèn)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和配置。初始化并計(jì)算所有的波形數(shù)據(jù)，進(jìn)而配置FPGA 參數(shù)和頭數(shù)據(jù)(包括波束數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、各通道延時(shí)參數(shù)、各通道使能等)，然后啟動(dòng)FPGA開始掃描波束。在波束形成期間，根據(jù)FPGA的請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，并在下一波束前，根據(jù)命令參數(shù)校正頭數(shù)據(jù)中的通道延時(shí)，讀取溫度寄存器。

FPGA軟件根據(jù)DSP傳來的原始波形數(shù)據(jù)和參數(shù)，利用精確的時(shí)鐘時(shí)延，同步形成波束。流程圖如圖7所示。掃描啟動(dòng)后，F(xiàn)PGA初始化，在波束同步到來時(shí)開始形成波束。每形成一幀的數(shù)據(jù)量，便給DSP發(fā)送中斷信號(hào)，請(qǐng)求接收下一幀數(shù)據(jù)，直到完成當(dāng)前波束的數(shù)據(jù)傳輸。在每個(gè)波束數(shù)據(jù)傳輸完成后，更新溫度寄存器并接收DSP下一波束的參數(shù)和頭數(shù)據(jù)，開始下一波束數(shù)據(jù)的傳輸和波束形成。如此直到當(dāng)次掃描完成。

4 擴(kuò)展應(yīng)用

通道的擴(kuò)展。當(dāng)一個(gè)信號(hào)源通道數(shù)量不能滿足布陣要求時(shí)，可以用多個(gè)信號(hào)源共同產(chǎn)生波束。此時(shí)，只需要標(biāo)定一個(gè)共同的掃描同步源，其波束同步源可作為校準(zhǔn)，并分別指定各個(gè)信號(hào)源的通道序號(hào)，傳送相同信號(hào)參數(shù)給各信號(hào)源，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)源通道的擴(kuò)展。

信號(hào)發(fā)生器。如前所述，通過通信接口下載已經(jīng)預(yù)成好的原始波形數(shù)據(jù)到信號(hào)源的FLASH中，當(dāng)需要形成該預(yù)成信號(hào)的波束時(shí)，DSP從外部存儲(chǔ)器中按順序?qū)崟r(shí)讀取每幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給FPGA。多普勒補(bǔ)償在這里不可使用。

信號(hào)源的協(xié)作。當(dāng)需要區(qū)分不同的發(fā)射陣并分時(shí)發(fā)射時(shí)(如左右舷)，可應(yīng)用一個(gè)控制單元，控制各陣的控制命令，并設(shè)置信號(hào)源的掃描同步為外部同步，各陣基準(zhǔn)信號(hào)源的波束同步為輸出并返回給控制單元，控制單元觸發(fā)掃描同步協(xié)調(diào)各陣發(fā)射。

信號(hào)源帶寬的提高及布陣距離的減小。當(dāng)信號(hào)源的中心頻率提高后，相應(yīng)的布陣距離也會(huì)變小，各通道形成信號(hào)需要更高的轉(zhuǎn)換率，形成波束需要更小的延時(shí)精度，可通過設(shè)置信號(hào)生成的采樣率和DA的轉(zhuǎn)換率來實(shí)現(xiàn)。由DSP按照一個(gè)相對(duì)較低的采樣率生成原始波形數(shù)據(jù)，再由FPGA在形成波束之前對(duì)其按倍數(shù)進(jìn)行升采樣，最后把數(shù)據(jù)存入DA的輸出緩存中。

現(xiàn)場(chǎng)交互方式?？砂袲SP芯片更改為OMAP -L137，兩款芯片的管腳及DSP程序兼容，可利用其中的ARM核作為控制，運(yùn)行Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)經(jīng)過實(shí)際的應(yīng)用，不僅滿足了主動(dòng)聲吶系統(tǒng)的全部要求，提供了靈活的測(cè)試、調(diào)試方法來檢驗(yàn)相關(guān)系統(tǒng)功能，而且提供了更加靈活的應(yīng)用和擴(kuò)展方式，以及足夠的改進(jìn)空間。具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、很大借鑒意義和廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 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.

TIAN Tan, LIU Guozhi, SON Dajun. Sonar technology [M]. Harbin: Harbin University Press. 2000.

[2] Texas Instruments Inc. TMS320C6745, TMS320C6747 Fixed- and floating-point digital signal processor[R]. USA: Texas Instruments Inc, 2014. http://www.ti. com.cn/tihome/ cn/docs/ homepage.tsp

[3] Xilinx Inc. Virtex-5 Family Overview[R]. USA: Xilinx Inc., 2015. http://china.xilinx.com

Design of multi-channel phase scanned signal source for sonar system

LIU He-nan

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

With the development of sonar technology, transmitting array signal become more diverse. In order to meet the diversified demands, a programmable multi-channel phase scanned signal source is designed, which is based on using a combination of DSP and FPGA. The DSP calculates the waveform data of each beam and the delay of each channel. The FPGA forms each beam based on accurate delays. This design has more precise directivity, can generate arbitrary signal waveforms and arbitrary beam compositions, can download and store pre-waveform, can generate waveform data multiplied by window function, and can compensate and calibrate delay in real-time. Group signal sources can be combined to achieve collaborative work. The results of practical application demonstrate that the design of signal source has great improvement potential and broad application prospect.

multi-channel; signal source; active sonar; beam form

TB533

A

1000-3630(2016)-03-0276-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.018

2015-09-20;

2015-12-25

柳赫楠(1981－), 男, 吉林松原人, 碩士, 工程師, 研究方向?yàn)樗暪こ獭?/p>

柳赫楠, E-mail: lds_hn@163.com