馬 雪

（昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051）

基于ADSP-BF537的水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)設計?

馬 雪

（昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051）

為了水下航行體的有效探測和定位識別，在近程條件下利用電磁輻射場對目標進行探測，提出一種基于高速ADSP-BF537為核心處理器的水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)設計方法。首先進行水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)的總體設計構架和功能模塊分析，采用水下航行體電磁輻射場信號在海水中產生的相位延遲及幅值衰減作為目標估計參量，采用ADI公司的高速ADSP-BF537作為信號處理器，進行水下電磁信號處理。系統(tǒng)由全向磁傳感器陣列、上位機、下位機、信號調理電路和微機控制電路等組成，著重分析了該系統(tǒng)的信號采集及信號處理的電路實現(xiàn)，采用模塊化設計和集成電路設計相結合方法實現(xiàn)系統(tǒng)硬件開發(fā)。系統(tǒng)測試結果表明，采用該水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)進行水下目標探測，能準確識別水下航行體輻射的電磁脈沖信號，對目標的方位、相位等參量估計精度較高，提高了對目標的探測和定位的準確性。

ADSP-BF537；電磁信號處理；水下航行體；探測系統(tǒng)

1 引言

水下航行體常見的如魚雷、水下探測器、蛙人運載器等，水下航行體廣泛應用在軍事和民用領域，在水下目標跟蹤識別、情報收集、水下目標打擊、水文資料采集以及水下搜救等領域具有很好的應用價值［1］。水下航行器在海水中對運動目標的探測主要采用主動或被動式聲納等方式，但由于聲吶容易受到海水混響以及近程條件下跟蹤誤差的影響，導致在強混響背景下對目標的探測準確性不好。水下運動的金屬目標通常會輻射電磁脈沖，其輻射裝置在目標周圍產生電磁輻射場，利用水下航行體的脈沖發(fā)射裝置發(fā)射主動探測脈沖，經過對目標電磁回波脈沖信號的分析，能準確實現(xiàn)對目標的電磁探測和定位，開發(fā)在近程條件下利用目標的磁輻射場來對其進行定位跟蹤具有較大的價值，研究基于電磁信號處理的水下航行體探測系統(tǒng)，在提高水下航行體探測和定位跟蹤能力方面具有重要意義，相關的系統(tǒng)設計方法研究受到人們的極大重視［2～4］。

為了實現(xiàn)水下運動目標的有效探測和定位識別，在近程條件下利用電磁輻射場對目標進行探測，根據(jù)電磁輻射場在海水中的傳播特性，采用電磁輻射場信號在海水中產生的相位延遲及幅值衰減作為目標估計參量，采用電磁信號處理技術進行目標參量估計，實現(xiàn)目標探測和跟蹤識別［5］。本文提出一種基于高速ADSP-BF537為核心處理器的水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)設計方法，首先進行系統(tǒng)的總體結構描述和功能技術指標分析，系統(tǒng)主要分為全向磁傳感器陣列、上位機、下位機、信號調理電路和微機控制電路等模塊，進行系統(tǒng)的功能模塊化設計，最后進行系統(tǒng)調試和測試分析，得出有效性結論，展示了本文設計的水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)在提高目標探測性能方面的優(yōu)越性。

2 探測系統(tǒng)總體設計描述及功能技術指標分析

2.1 數(shù)字信號處理器選擇

本文研究水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)的硬件設計，首先根據(jù)探測系統(tǒng)的工作特點，選擇合適的數(shù)字信號處理器以及相應的外圍電路器件，在此基礎上，采用模塊化的硬件電路設計方法進行系統(tǒng)的硬件開發(fā)設計。利用水下目標回波脈沖的連續(xù)電磁輻射場信號的相移及幅值衰減實現(xiàn)運動目標的探測和參量估計。從系統(tǒng)總體來看，該系統(tǒng)是一個典型的計算機測量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的采用上位機和下位機分段設計方法，其中上位機部分主要包括：DSP最小系統(tǒng)設計、電磁脈沖探測模塊設計、A/D模塊設計、D/A模塊設計、電磁信號檢波模塊和電磁脈沖回波檢測模塊等。隨著現(xiàn)代信號處理技術的發(fā)展，在電磁信號處理的硬件實現(xiàn)中，需要借助于專用的高速信號硬件，如DSP、現(xiàn)場可編程門邏輯陣列FPGA等實現(xiàn)信號集成處理［6］。其中，DSP（數(shù)字信號處理器）是系統(tǒng)的核心和大腦，根據(jù)水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)的工作特點，對DSP提出如下要求：

1）運算量要求。DSP的最低速度應大于25×20=500MHz，處理器速度應大于等于600MHz。

2）精度要求。本文設計的水下探測系統(tǒng)采用16位DSP和32位DSP的雙通道探測機制，因此采用16位定點DSP才可滿足要求。

3）功耗要求。為了提高水下探測的續(xù)航能力，對功耗有特別要求，整機功耗不大于12W，應選擇低壓低功耗DSP芯片。

根據(jù)上述設計要求，對DSP芯片的選擇選擇了ADI公司的ADSP-BF537，它屬于ADI公司最近主推的Blackfin系列DSP中的最新產品，它為工業(yè)級16位DSP，主頻600MHz，完全滿足以上設計的技術要求。

2.2 電磁探測原理與系統(tǒng)的總體構架

系統(tǒng)利用電磁輻射場在海水中的傳播特性，進行水下運動目標的電磁輻射探測，利用電磁輻射信號連續(xù)波法和脈沖波法逐個頻率點地掃頻測量響應曲線，并用頻率分析技術代替掃頻技術，一次測量實現(xiàn)對水下航行體的電磁輻射信號檢測和回波模擬。信號接收部分由全向磁傳感器陣列及下位機的信號調理電路和微機控制電路等組成，該系統(tǒng)的信號采集及信號處理采用LabWindows/CVI實現(xiàn)人機通信。水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)的信號處理部分負責向發(fā)射電路提供信號，并且對接收和參考兩路信號進行采集和處理并給出判決結果。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，數(shù)字電路部分由A/D、D/A、信號處理器（DSP）、和檢波模塊組成，根據(jù)上述電磁探測原理，構建系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。

水下電磁輻射目標探測系統(tǒng)的電磁信號處理部分主要完成以下功能：

1）A/D：負責對調理后的接收和參考信號進行采樣，送入DSP內進行處理。

2）復位芯片：負責為DSP提供復位信號，包括上電復位、手動復位等。

3）EEPROM：有兩個職能，一是存儲需要加載的程序；二是存儲中間數(shù)據(jù)用于軟件分析。

4）D/A：負責向發(fā)射板提供正弦波，通過后接LPF可以得到更好的正弦信號。

5）檢波模塊：當檢測到目標時，輸出電磁信號的PWM調制、調制波。

2.3 系統(tǒng)技術指標分析

根據(jù)上述對系統(tǒng)的總體設計構架，本文設計的水下運動目標電磁輻射探測系統(tǒng)的技術指標描述如下。

1）系統(tǒng)具有2個對稱的600MHz高性能Black?fin內核，可以實現(xiàn)600MHZ的持續(xù)工作，峰值運算能力可達2.4GMAC/s；

2）具有雙16位MAC，雙40位ALU，指令存儲器包括64KBSRAM，4個8位視頻ALU，以及一個40為移位器；

3）支持8個立體聲I2S通道的電磁信號采樣和通信能力，擁有328Kbytes片內存儲器，支持外部4GB統(tǒng)一尋址空間；

4）具有RISC式寄存器和指令模式，12通道DMA；

5）內核電壓0.8V～1.2V，D/A分辨率：12位，具有靈活的軟件控制動態(tài)電源管理功能。

3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本文采用水下航行體電磁輻射場信號在海水中產生的相位延遲及幅值衰減作為目標估計參量，進行水下目標探測和定位，根據(jù)上述總體設計構架和功能技術指標分析，進行系統(tǒng)的硬件開發(fā)設計。系統(tǒng)的DSP數(shù)字信號處理芯片采用ADI公司的高速ADSP-BF537，以此作為信號處理器進行電磁信號處理［7］。系統(tǒng)由全向磁傳感器陣列、上位機、下位機、信號調理電路和微機控制電路等組成，硬件模塊化設計描述如下。

3.1 全向磁傳感器陣列

全向磁傳感器陣列安裝在水下航行器的頭部，輻射發(fā)射電磁脈沖信號，該信號經功放驅動后由發(fā)射探頭向外輻射磁場，全向磁傳感器陣列有陣列發(fā)射探頭組成，整個發(fā)射探頭阻抗成感性，可等效為一個電阻和一個電感的串聯(lián)，當探頭工作時，需要串聯(lián)一個適當電容，根據(jù)串聯(lián)諧振的關系：

采用AD780產生電壓2.5V的基準，PWM輸出頻帶比較寬，磁芯不可能保證對每個頻率磁損耗都很小，容易發(fā)熱，因此在全向磁傳感器陣列的輸入引腳采用單通道（SE）和橋接負載（BTL）兩種方式，噪聲輸出電壓：100μVrms，放大器閉環(huán)增益：30±1dB。全向磁傳感器陣列的探頭阻抗匹配電路如圖2所示。

3.2 上位機和下位機設計

信號接收部分通過全向磁傳感器陣列輸出到上位機和下位機，上位機以直接控制器為核心組件，直接控制器由控制板和輔助板組成，控制板和輔助板通過圓孔插針、母座進行連接，上位機和下位機使用電纜盤進行連接，電纜盤的通信接口使用的是RS-232串口通信方式，通信數(shù)據(jù)為多字節(jié)，依照字節(jié)由短到長進行通信［8］。上位機的A/D電路負責對調理后的接收和參考信號進行采樣，送入DSP內進行處理，電平觸發(fā)控制輸入引腳（高電平有效），D/A選用AD5621，采用低功耗的12位數(shù)/模轉換器實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)輸入，采用從外部串行EE?PROM中引導的方式，輸出放大器通過軌至軌操作，從該引腳輸出所需的模擬信號。上、下位機電路設計如圖3所示。

3.3 信號調理電路

水下航行體電磁探測系統(tǒng)的信號調理電路是整個系統(tǒng)的核心，信號調理電路提取4路電信號的幅值和相位分量，根據(jù)這四路信號的幅值判斷目標的水平及垂直方位角。信號調理電路采用AD?SP-BF537為核心處理器，信號帶寬35MHz，建立時間30ns，放大分貝數(shù)由它的控制電壓決定，根據(jù)公式：

式中Vc是控制電壓，范圍是-2V≤Vc≤0，Vgain是電壓放大增益。

考慮到輸入信號幅值較低，頻率處于低頻，為了有效地抑制低頻成分，需要在信號調理電路的末端加入隔直流電路，設置了隔直通RC濾波電路濾除電磁輻射信號的低頻部分，在晶振的電源入口處放一個10μF～100μF的鉭電容，在電路管腳布局上，晶振應盡可能地接近DSP的時鐘輸入管腳，走線要嚴格控制它的阻抗，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配。信號調理電路設計如圖4所示。

3.4 微機控制電路

微機控制部分完成信號分量的檢波及分析處理，為達到最終精確的目標距離的跟蹤，在微機控制電路設計中，水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)的高壓部分由電壓信號控制，控制電壓0V～5V對應輸出高壓0V～1200V，AD5545的數(shù)字接口采用簡單的3線制接口，有CS、SDI和CLK構成，AD5545的輸入數(shù)據(jù)共18位，高2位為地址譯碼，模擬電源和模擬地間添加10μF和0.1μF的去耦電容實現(xiàn)探測系統(tǒng)的信號采集及信號處理，本文設計的微機控制電路如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試分析

為了測試本文設計的水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)在實現(xiàn)水下運動目標探測中的應用性能，進行系統(tǒng)調試實驗，試驗中電磁傳感器選中國計量院研制的CCG-1000型感應線圈式交變磁強，對水下運動目標采集的數(shù)據(jù)為16位垂直精度的電磁輻射脈沖信號，磁感應強度最高分辨力為10 nT，發(fā)射信號的頻率為2.6kHz，目標模擬器模擬8通道均勻線列陣，根據(jù)上述仿真參量設定，得到系統(tǒng)探測到的水下運動目標電磁輻射信號如圖6所示。

以圖6檢測到的電磁信號為輸入，將目標電磁信號分解為4路電信號，提取4路電信號的幅值和相位分量，根據(jù)各波束的檢測輸出結果估計目標的距離，并估計目標的方位信息，在系統(tǒng)的測試面板中輸出運動目標探測結果，如圖7所示。

分析圖7結果得知，采用本文方法實現(xiàn)水下航行體對運動目標的探測，方位估計精度較高，目標方位估計信息欄里顯示水下運動目標探測的3個峰值結果，分別為-12.50°、0.43°和 12.32°，與目標模擬器模擬的目標方位信息基本一致，說明對目標探測和參量估計的準確性較好。

5 結語

水下運動目標通常會輻射電磁脈沖，其輻射裝置在目標周圍產生電磁輻射場，利用水下航行體的脈沖發(fā)射裝置發(fā)射主動探測脈沖，經過對目標電磁回波脈沖信號的分析，能準確實現(xiàn)對目標的電磁探測和定位，本文提出一種基于高速ADSP-BF537為核心處理器的水下航行體電磁輻射探測系統(tǒng)設計方法，采用ADI公司的高速ADSP-BF537作為信號處理器，設計了全向磁傳感器陣列、上位機、下位機、信號調理電路和微機控制電路，結合電磁信號處理方法實現(xiàn)水下運動目標探測。研究表明，本文設計的探測系統(tǒng)能準確識別水下航行體輻射的電磁脈沖信號，對目標的方位、相位等參量估計精度較高，提高了對目標的探測和定位的準確性，在水下目標探測識別中具有很好的應用價值。

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Design of Electromagnetic Radiation Detection System for Underwater Vehicle Based on ADSP-BF537

MA Xue
（Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center，Kunming 650051）

In order to achieve effective detection and recognition of vehicle detection，in the use of electromagnetic radiation field of short-range condition，based on a high speed ADSP-BF537 as the core processor of the underwater vehicle electromagnetic radiation detection system design method is proposed.First the overall structure design and function module of underwater electro?magnetic radiation detection system sailing is analyzed，phase radiation field signal generated in seawater using underwater electro?magnetic delay and amplitude attenuation as the target parameter estimation，using high-speed ADSP-BF537 ADI as signal proces?sor，electromagnetic signal processing system.The omnidirectional magnetic sensor array，host computer，slave computer，signal conditioning circuit and microcomputer control circuit etc.and the circuit of signal acquisition and signal processing of the system，modular design and integrated circuit design combination Method of realization of hardware development system is analyzed.The test results show that the radiation detection system for underwater target detection using the underwater electromagnetic radiation，electromagnetic pulse signal can accurately identify the underwater navigation and orientation of the target，the higher estimation precision of phase parameters，improve the accuracy of detection and location of the target.

ADSP-BF537，electromagnetic signal processing，underwater vehicle，detection system

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.034

Class Number TN911

2017年5月18日，

2017年6月21日

馬雪，男，助理工程師，研究方向：水下目標探測，電磁信號處理。