趙俊杰

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一種多點(diǎn)實(shí)時(shí)收發(fā)尺度目標(biāo)模擬器的DSP實(shí)現(xiàn)方法

趙俊杰

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心, 云南昆明, 650051)

針對(duì)水聲對(duì)抗中單收多發(fā)尺度目標(biāo)模擬器模擬回波與真實(shí)潛艇回波存在著較大差異, 介紹了一種基于高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理器(ADSP)的多點(diǎn)實(shí)時(shí)收發(fā)尺度目標(biāo)模擬器的實(shí)現(xiàn)方法, 采用多點(diǎn)收發(fā)方式, 多通道信號(hào)并行實(shí)時(shí)檢測(cè)處理, 從回波的空間特性、時(shí)頻域特性等方面提高目標(biāo)模擬器對(duì)水下尺度目標(biāo)的模擬逼真程度。測(cè)試結(jié)果表明, 系統(tǒng)的最小時(shí)延一般可控制在10 ms內(nèi), 減少了時(shí)延模擬和目標(biāo)強(qiáng)度模擬的差異, 在各亮點(diǎn)回波頻率上更接近于真實(shí)潛艇回波。該研究可為尺度目標(biāo)模擬技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

水聲對(duì)抗; 回波; 尺度目標(biāo)模擬; 多點(diǎn)實(shí)時(shí)收發(fā)

0 引言

在水下聲學(xué)目標(biāo)模擬及對(duì)抗中, 聲學(xué)目標(biāo)模擬器接收來自魚雷的探測(cè)信號(hào), 對(duì)其進(jìn)行處理和變換之后產(chǎn)生回波信號(hào), 從而引導(dǎo)或誘騙魚雷跟蹤和攻擊目標(biāo)。點(diǎn)源目標(biāo)模擬器可有效模擬聲源級(jí)、多普勒、距離及目標(biāo)強(qiáng)度等參數(shù)[1], 但隨著水聲對(duì)抗技術(shù)的不斷發(fā)展, 現(xiàn)役或在研聲自導(dǎo)魚雷基本都具備尺度識(shí)別能力, 水下目標(biāo)特性模擬真實(shí)程度相應(yīng)需要提高。

在魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)工作的高頻條件下, 亮點(diǎn)模型是回聲信號(hào)的良好近似描述[2]。聲學(xué)尺度目標(biāo)模擬器由若干個(gè)換能器按一定空間形狀組合在一起, 通過接收并轉(zhuǎn)發(fā)魚雷自導(dǎo)信號(hào), 以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇聲反射特性的模擬[3]。

現(xiàn)有聲學(xué)尺度目標(biāo)模擬器一般采用單收多發(fā)方式, 單一采樣點(diǎn)復(fù)制的入射波只能從時(shí)延、強(qiáng)度方面反映潛艇目標(biāo)特性[4], 而潛艇的各個(gè)亮點(diǎn)相互獨(dú)立, 目標(biāo)回波是不同亮點(diǎn)的子回波在空間相干迭加的結(jié)果[5], 因此模擬回波與真實(shí)潛艇回波存在著較大差異。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了潛艇回波的多亮點(diǎn)數(shù)學(xué)模型, 該模型將整個(gè)潛艇等價(jià)成6個(gè)陣元的線列陣, 通過控制各陣元的信號(hào)強(qiáng)度和時(shí)延可以模擬出潛艇在不同角度入射信號(hào)作用下的回波, 從而較為真實(shí)的模擬潛艇目標(biāo)。

為保證目標(biāo)模擬的真實(shí)性和有效性, 目前通常采用數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor, DSP)作為目標(biāo)模擬器信號(hào)處理核心, 算法程序回波方式一般為設(shè)定回波或存儲(chǔ)重發(fā)模式。設(shè)定回波模式實(shí)現(xiàn)原理是通過信號(hào)處理算法檢測(cè)魚雷探測(cè)信號(hào)脈沖, 確定其制式類型后, 將預(yù)先計(jì)算生成的脈沖數(shù)據(jù)作為回波信號(hào)發(fā)射, 其缺點(diǎn)是忽略了魚雷探測(cè)信號(hào)傳播至目標(biāo)模擬器過程中的波形衰減畸變等影響, 并且由于各型魚雷探測(cè)信號(hào)制式差異, 確定信號(hào)脈沖時(shí)刻因信號(hào)制式而異, 從而導(dǎo)致回波信號(hào)的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性大受影響; 存儲(chǔ)重發(fā)模式實(shí)現(xiàn)原理是通過信號(hào)處理算法檢測(cè)魚雷探測(cè)信號(hào)脈沖, 確定其制式類型后, 完整接收魚雷探測(cè)信號(hào)脈沖, 將其進(jìn)行處理和變換之后產(chǎn)生回波信號(hào), 其缺點(diǎn)是回波信號(hào)的實(shí)時(shí)性不佳。

基于此, 文中介紹一種基于高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理器(advanced digital signal processor, ADSP)的多點(diǎn)實(shí)時(shí)收發(fā)水下聲學(xué)尺度目標(biāo)模擬器的實(shí)現(xiàn)方法。該處理器工作于多點(diǎn)收發(fā)拖曳線列陣上, 在確保信號(hào)檢測(cè)及應(yīng)答的準(zhǔn)確性條件下, 實(shí)現(xiàn)對(duì)魚雷探測(cè)信號(hào)的多點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)應(yīng)答, 從回波的空間特性、時(shí)頻域特性等方面提高聲學(xué)目標(biāo)模擬器對(duì)水下尺度目標(biāo)的模擬逼真程度。并可根據(jù)情況靈活改變程序, 適應(yīng)各型魚雷探測(cè)信號(hào)制式差異。程序在Windows操作系統(tǒng)下, 由VisualDSP++5.0開發(fā)環(huán)境編寫, 采取集成化、模塊化設(shè)計(jì), 各項(xiàng)獨(dú)立功能均單獨(dú)形成模塊, 便于調(diào)試和使用[7]。

1 多片DSP結(jié)構(gòu)及程序?qū)崿F(xiàn)

1.1 工作機(jī)理

拖曳線列陣多個(gè)陣元的接收換能器各自獨(dú)立工作, 當(dāng)檢測(cè)到魚雷探測(cè)信號(hào)脈沖后, 通過數(shù)字前放等電路組件提取出信號(hào)脈沖的包絡(luò)寬度和載頻頻率, 經(jīng)信號(hào)處理后分別向各自陣元所屬的發(fā)射換能器傳送回波信號(hào), 分布于線列陣上的各陣元接收換能器真實(shí)地接收到魚雷探測(cè)信號(hào)脈沖傳遞到所模擬亮點(diǎn)處的實(shí)際聲信號(hào), 故各個(gè)陣元能較為真實(shí)的向魚雷反饋魚雷探測(cè)信號(hào)回波。同時(shí), 各陣元的回波信號(hào)到達(dá)魚雷的時(shí)間有先后差別, 即魚雷接收到各發(fā)射換能器的回波脈沖有先后之分, 且反饋回魚雷的聲信號(hào)包含線列陣中各個(gè)發(fā)射換能器的方位信息, 根據(jù)聲波相干疊加效應(yīng), 使得魚雷在不同的位置接收到的各發(fā)射換能器回波總和與該位置的實(shí)際潛艇回波相似, 從而達(dá)到聲模擬潛艇尺度方向上回波的目的。

多點(diǎn)收發(fā)尺度目標(biāo)模擬器信號(hào)處理設(shè)備由光纖接口處理板和DSP信號(hào)處理板組成。目標(biāo)模擬器接收換能器接收到的多路魚雷自導(dǎo)信號(hào)經(jīng)前置信號(hào)處理電路組件以中斷的方式傳至光纖接口處理板DSP0, DSP0逐一響應(yīng)中斷, 將所有A/D采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后打包經(jīng)Link口送至DSP信號(hào)處理板上的DSP1。DSP1接收A/D數(shù)據(jù), 并將其分發(fā)至對(duì)應(yīng)的DSP2、DSP3和DSP4芯片進(jìn)行并行信號(hào)處理, 每片DSP處理信號(hào)產(chǎn)生的回波控制信息均返回至DSP1, 由其回傳至光纖接口處理板DSP0。DSP0依據(jù)回波控制信息將存儲(chǔ)的A/D采樣數(shù)據(jù)送至功率放大組件, 控制多路回波的形成及回發(fā)。

多點(diǎn)實(shí)時(shí)收發(fā)信號(hào)處理程序運(yùn)行于信號(hào)處理控制設(shè)備中的光纖接口處理板和DSP信號(hào)處理板上各DSP芯片上, 主要由數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)信息傳送模塊和信號(hào)處理模塊組成。多片DSP互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊運(yùn)行于光纖接口處理板上的DSP0芯片, 負(fù)責(zé)對(duì)接收到的信號(hào)數(shù)字流進(jìn)行記錄、轉(zhuǎn)換和初步處理, 之后通過Link口送至DSP信號(hào)處理板, 并將DSP信號(hào)處理板返回的回波控制信息協(xié)議包轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字流發(fā)送到位于拖曳聲學(xué)陣上的功率放大組件。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊同時(shí)還負(fù)責(zé)向前置信號(hào)處理組件和功率放大組件分別傳送數(shù)字頻率均衡參數(shù)。

信號(hào)處理模塊并行運(yùn)行于DSP信號(hào)處理板上的DSP2、DSP3和DSP4芯片, 進(jìn)行多路信號(hào)的檢測(cè)處理工作, 確認(rèn)其特征與魚雷自導(dǎo)尋的信號(hào)相符時(shí), 根據(jù)設(shè)定回波策略, 產(chǎn)生多路回波控制參數(shù)按照指定協(xié)議格式打包通過Link口發(fā)送至光纖接口處理板。

1.2 多通道信號(hào)采集與實(shí)時(shí)應(yīng)答

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊完成多通道信號(hào)采集與實(shí)時(shí)應(yīng)答。光纖接口處理板上的DSP作為數(shù)據(jù)收發(fā)控制中心, 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊通過光纖口接收前置信號(hào)處理電路組件多路A/D采樣數(shù)據(jù)流, 每一路A/D采樣數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生獨(dú)立中斷, 模塊中的A/D數(shù)據(jù)流接收單元判斷中斷源, 以A/D中斷間隔為時(shí)間單元對(duì)接收到相應(yīng)通道數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、記錄。一個(gè)時(shí)間單元內(nèi)的多路A/D中斷均響應(yīng)完畢后, 將轉(zhuǎn)換形成的數(shù)字信號(hào)通過Link口送至DSP信號(hào)處理板上的數(shù)據(jù)信息傳送模塊。

信號(hào)處理模塊檢測(cè)信號(hào)后產(chǎn)生的回波控制信息通過Link口經(jīng)數(shù)據(jù)信息傳送模塊返回光纖接口處理板, 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊中的D/A數(shù)據(jù)流發(fā)送單元將記錄的A/D采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字流發(fā)送到位于拖曳聲學(xué)陣上的功率放大組件。同時(shí), 以A/D中斷周期為Link口數(shù)據(jù)傳輸間隔, 作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊流程圖如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)信息雙向?qū)崟r(shí)傳送

數(shù)據(jù)信息傳送模塊運(yùn)行于DSP信號(hào)處理板上的DSP1芯片, 程序?qū)崿F(xiàn)其Link口雙向通信模式[8], 在一個(gè)A/D中斷周期內(nèi)完成以下功能: 接收轉(zhuǎn)換形成的多路A/D采樣數(shù)據(jù)流, 并將其分發(fā)至對(duì)應(yīng)的DSP芯片; 同時(shí)接收每片DSP芯片上信號(hào)處理模塊返回的回波控制信息, 并將其回傳至數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。

1.4 多通道信號(hào)并行實(shí)時(shí)檢測(cè)

信號(hào)處理模塊并運(yùn)行于DSP信號(hào)處理板上的多片DSP芯片, 每片DSP經(jīng)Link口接收的A/D采集數(shù)據(jù)被保存到專門的循環(huán)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ramdom access memory, RAM)區(qū)域中, 程序模塊以最快速度對(duì)輸入的數(shù)據(jù)塊作加窗處理后進(jìn)行頻譜分析[9], 根據(jù)處理結(jié)果計(jì)算出該塊數(shù)據(jù)的頻率、電壓幅度及信噪比等, 再把每次處理結(jié)果保存到專門的循環(huán)存儲(chǔ)區(qū)域。

程序模塊對(duì)每一次處理結(jié)果進(jìn)行判斷, 檢測(cè)到有滿足條件的信號(hào)后, 計(jì)算并保存該信號(hào)的平均頻率、最大幅度、脈寬、周期、調(diào)頻方式及信噪比等參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到有效信號(hào)后, 程序模塊立即將回發(fā)標(biāo)志送至數(shù)據(jù)收發(fā)模塊, 同時(shí)繼續(xù)檢測(cè)信號(hào), 直至信號(hào)結(jié)束和最小回波長度完成, 將回波停止標(biāo)志送至數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。信號(hào)處理模塊流程圖見圖3。

2 優(yōu)化與擴(kuò)展

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)應(yīng)答, DSP程序必須同時(shí)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和回波形成。由于魚雷探測(cè)信號(hào)在傳播過程中的畸變會(huì)產(chǎn)生大量的虛警和波形起伏, 且脈沖信號(hào)結(jié)束檢測(cè)比起始檢測(cè)更不穩(wěn)定, 而對(duì)信號(hào)結(jié)束的誤檢會(huì)立即導(dǎo)致回波斷裂。

建設(shè)高原特色農(nóng)副產(chǎn)品現(xiàn)代物流園區(qū)，打造具有農(nóng)墾特色、服務(wù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代物流產(chǎn)業(yè)體系和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)新格局；完成了13個(gè)州（市）“好買賣”鄉(xiāng)村新型商業(yè)中心建設(shè)工作，推動(dòng)全省鄉(xiāng)村現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新型經(jīng)營體系建設(shè)，助力解決廣大農(nóng)民“買難、賣難”的問題，積極探索云南省農(nóng)村商貿(mào)流通體系新模式新業(yè)態(tài)，達(dá)到了農(nóng)產(chǎn)品“賣得快、賣得遠(yuǎn)、賣得好”的效果。

為保證回波信號(hào)完整性, 在程序中引入最小回波長度概念, 回波結(jié)束需同時(shí)滿足2個(gè)條件: 信號(hào)檢測(cè)結(jié)束和最小回波長度完成?；夭ㄐ盘?hào)的完整性指的是對(duì)到達(dá)目標(biāo)模擬器的畸變探測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確檢測(cè), 并將此畸變信號(hào)原樣回發(fā), 不產(chǎn)生誤檢、漏檢等導(dǎo)致丟失脈寬的現(xiàn)象, 其可真實(shí)反映魚雷探測(cè)信號(hào)在水中發(fā)傳播過程。通過回波信號(hào)完整性設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)在探測(cè)信號(hào)畸變導(dǎo)致脈沖在檢測(cè)過程中不能保持足夠的穩(wěn)定性, 也能完整地產(chǎn)生回波信號(hào)。通過對(duì)魚雷湖上實(shí)航試驗(yàn)尺度目標(biāo)模擬器應(yīng)答波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可看到遠(yuǎn)程衰減畸變波形經(jīng)檢測(cè)后被精確識(shí)別復(fù)制并回發(fā), 最大程度上消除了模擬器處理環(huán)節(jié)上對(duì)魚雷探測(cè)信號(hào)真實(shí)性的影響。經(jīng)過數(shù)十條次各型魚雷試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)模擬器回波均判定為有效信號(hào)。程序檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)如圖4所示。

目前尺度目標(biāo)模擬器可實(shí)現(xiàn)3點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè), 12~15點(diǎn)實(shí)時(shí)應(yīng)答, 通過擴(kuò)展DSP信號(hào)處理板上DSP芯片使用, 可實(shí)現(xiàn)更多點(diǎn)數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)應(yīng)答。

3 結(jié)束語

在水聲對(duì)抗中, 尺度目標(biāo)模擬器需要不斷提高對(duì)潛艇聲學(xué)特性的模擬逼真度, 文中所述方法通過對(duì)魚雷探測(cè)信號(hào)的多通道高速采集、多中斷實(shí)時(shí)響應(yīng)處理、各DSP間Link口高速雙向傳輸和多通道信號(hào)并行實(shí)時(shí)檢測(cè)處理, 實(shí)現(xiàn)對(duì)魚雷探測(cè)信號(hào)的多點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)應(yīng)答; 通過Link口雙向通信模式程序設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息雙向?qū)崟r(shí)傳送, 確保了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性, 系統(tǒng)的最小時(shí)延一般可控制在10 ms內(nèi), 相對(duì)于受魚雷探測(cè)信號(hào)制式差異影響導(dǎo)致回波信號(hào)時(shí)延分布于幾十到幾百毫秒的設(shè)定回波模擬器而言降低了時(shí)延模擬、目標(biāo)強(qiáng)度模擬的差異, 在各亮點(diǎn)回波頻率上更接近于真實(shí)潛艇回波, 提高了回波在頻域、時(shí)空域的模擬逼真度。

文中所述尺度目標(biāo)模擬器不能實(shí)時(shí)判斷魚雷方位, 產(chǎn)生相應(yīng)可變亮點(diǎn)模型, 對(duì)于智能魚雷而言是明顯的真假目標(biāo)區(qū)別特征, 因此接下來應(yīng)從時(shí)變亮點(diǎn)模型[10]、各亮點(diǎn)回波處理方法研究等著手, 進(jìn)一步改進(jìn)模擬器尺度目標(biāo)模擬逼真程度。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

A DSP Implementation Method of Multi-point Real-Time Receiving and Transmitting Scale Target Simulator

ZHAO Jun-jie

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Kunming 650051, China)

In underwater acoustic countermeasure there is a big difference between the single-receiving multi-transmitting scale target simulator and the real submarine echo. In this paper, an implementation method of multi-point real-time receiving/transmitting scale target simulator based on advanced digital signal processor(ADSP) is presented. This method adopts the multi-point receive-transmit mode and the multi-channel signal parallel real-time detection and processing to improve the target simulator?s simulation fidelity of underwater target in terms of the space echo characteristics and the time/frequency domain characteristics. Test results show that the minimal time delay of the system can be controlled less than 10 ms, and the difference between time delay simulation and target strength simulation is reduced, thus the echo frequency of each highlight is more close to the real submarine echo frequency. This study may provide reference for further optimization of the scale target simulation technology.

underwater acoustic countermeasure; echo; scale target simulation; multi-point real-time receiving/tran- smitting

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.006

TJ630.34; TB565.1

A

1673-1948(2016)06-0426-05

2016-08-11;

2016-08-20.

趙俊杰(1981-), 男, 碩士, 工程師, 主要從事水聲目標(biāo)模擬信號(hào)處理技術(shù)研究.