基于通用信号处理平台的声呐目标模拟器设计

盛成明，唐锁夫,陈 昕

(702厂，上海 200434)

基于通用信号处理平台的声呐目标模拟器设计

盛成明，唐锁夫,陈 昕

(702厂，上海 200434)

文章针对新型声呐调试维修中需特定参数的传感器信号的实际情况，提出设计基于通用信号处理平台的声呐目标模拟器设计思路，针对新型数字声呐设计可联机工作的数字仿真系统，用于模拟实际声呐传感器阵列信号特性，完成对声呐系统的调试与维修工作，从而提高新型声呐设备的保障能力。

信号处理平台；模拟器；仿真

在声呐的调试与维修中，通常需要提供特定参数要求的传感器信号给声呐设备，以实现对声呐设备的测试校准等任务。传统的办法是通过在试验水池中或者海上试验中来采集提供。这样，一方面建设消声水池特别是大型消声水池经费投入很大，而利用试验平台在海上进行试验代价也不小；另一方面由于水声信道的复杂多变，在水池中难以完全满足对声呐性能全面测试与检查的条件，而海上试验受外界影响更大，做好一次试验往往需要相当长的时间。因此，研制声呐目标模拟器，经济、实时、精确地完成对声呐系统的调试与维修工作，特别是在中修内场修理、现场噪声测距精度等调校中，已成为新型声呐设备维修保障中急需解决的问题。

本文基于通用信号处理平台的声呐目标模拟器设计思路，是针对新型数字声呐设计一个可联机工作的数字仿真系统，用于模拟实际声呐传感器阵列信号特性，完成对声呐系统的调试与维修工作，从而提高新型声呐设备的保障能力。

1 组成与功用

声呐目标模拟器的主要功能是模拟适用于平面阵阵形可变、基元数可变的声呐信号，模拟产生目标信号和各向同性相互独立的海洋环境噪声，模拟本艇的航向变化，模拟距离、方向、速度、信噪比等参数变化的噪声目标，模拟距离、速度、信噪比、方位、频率、周期等参数变化的主动声呐脉冲目标。并能将受测声呐输出的目标舷角方位、距离等参数与模拟器的相应参数进行比较，进一步计算处理，显示打印检测结果。

模拟器由1个标准信号处理机箱组成，包括66路信号通道，6个DSP阵列，输出接口，1片ARM、TFT液晶显示和键盘等，其组成框图如图1 所示。

图1 模拟器组成框图

1.1信号通道

信号通道由 D/A、滤波器、衰减器和驱动输出组成。D/A为100 kHz、12比特数模转换器；滤波器用于滤除D/A输出中的高频分量；衰减器将D/A输出的大信号进行衰减，以满足输出小信号的需要；驱动输出的作用提高信号源输出的驱动能力。需要注意的是衰减器不能采用常规的电阻衰减网络，因为在小信号输出时(百微伏量级输出)电阻对信号衰减，但是却不能对电路噪声达到衰减的目的。D/A的转换频率为信号宽带的4倍。在信号最大宽带为25 kHz的情况下，D/A的最高转换频率为100 kHz。

1.2DSP阵列

信号源的输出信号通常都是连续的随机信号，这就要求信号源能够实时完成连续的随机信号样本点的实时运算。在最高100 kHz的D/A转换频率条件下，需要大约“一个样本点/150 ns”的实时运算速度。DSP算出的随机信号的样本点通常频率较宽，这就要求进一步完成数字滤波运算将多余的高频分量滤除。66路随机信号序列的产生至滤波，将会导致数字运算量急剧增加。为达到信号的实时产生，采用多片DSP构成的阵列来提高信号处理的实时性。DSP阵列处理输出的信号样本点定时输出给每个通道的D/A转换器，进行数模转换。

1.3ARM嵌入式处理器

ARM嵌入式处理器的作用是管理液晶显示器和键盘，控制DSP阵列的运算模式。通过液晶显示器和键盘的管理，实现人机交互方式的信号参数设定；同时还可以将各种不同的信号参数进行E2ROM的固化。这样信号源可以采用人工设置和已有的设置参数2种不同方法来选择输出信号。E2ROM最多可以存储2 000个不同信号参数。由ARM管理下完成的信号参数的选取之后，ARM将这些参数传输给DSP阵列。DSP将依据这些参数进行随机信号样本点和数字滤波的实时运算。CF卡可以用来存储DSP阵列的处理程序。这样就可以便于将来对信号源的升级，而且这种升级不需任何硬件的改动；只是通过标准计算机及信号源之间的通信(USB)将DSP阵列处理程序存储在CF中。这样信号源所产生的信号种类就会增加很多，从理论上讲应该是无穷多种。

1.4显示器与键盘

键盘和液晶显示器的作用就是用于建立人机交互，完成信号参数的设置与信号源库内信号的选择。系统电源全部采用线性的模拟电源，这样有利于小信号输出时降低电路噪声的影响。

2 关键模块的实现

2.1信号处理板(DSP处理板)

DSP处理板为通用信号处理平台的核心部分，采用6U CPCI总线结构，完成通用信号处理平台所需的绝大部分数字信号处理功能。该平台由若干块DSP板组成，板与板之间通过Link口连接，形成不同规模的多DSP并行阵列处理系统，以完成不同的信号处理算法。信号处理板采用由8片ADI公司的ADSP-TS101S 芯片组成的高性能数字信号处理板。TS101S 芯片的峰值浮点运算能力可达14.4 GFLOPS。该板卡采用32 bit/66 MHz的CPCI总线，并提供大容量的存储器，包括高达512 M字节的SDRAM和8 M字节的FLASH。该板还包括多种类型的IO接口，例如PMC接口和扩展的Link口等，提供了灵活高效的数据通路。

DSP板卡配置了2簇共8片TigerSHARC (ADSP-TS101S)芯片，板卡将这8颗DSP芯片分为2个DSP簇。每簇4片DSP芯片共享64 bit/80 MHz的局部端总线，并可通过该局部端总线访问每簇的SDRAM和主机接口芯片。每片ADSP-TS101S片内具有6 Mbit的SRAM，在主屏300 MHz下工作可提供高达1 800 MFLOPS的运算能力。

2.2数字信号获取板(D/A板)

D/A板卡是基于DSP TS101的高性能信号处理板，该板能完成信号处理及数模转换功能，支持100 kHz以下可选采样频率，转换精度11 bit，信噪比70 dB。

单板通道数可灵活选择和启用。多个D/A板之间采用可配置的主从同步模式，并提供精确统一的同步采样信号，便于扩充通道数，以备大规模阵列信号产生之需。采样信号由精确的时钟综合芯片产生，可编程配置，频率分辨率高，可达10 Hz以内，使用方便。

2.3模拟器仿真模块设计

声呐目标模拟器主要由目标辐射噪声仿真模块、目标发射侦察脉冲信号仿真模块、水听器基阵阵形仿真模块和背景噪声仿真模块4大仿真模块组成。

2.3.1 目标辐射噪声仿真模块

根据通常采用的假设，可以认为舰船噪声近似服从高斯分布，其统计特性可通过二阶距来描述。因此，对舰船噪声的仿真可归结为对随机信号相关特性或功率谱特性的仿真。在现代声呐检测和识别的过程中，已经利用了舰船噪声平稳连续谱、低频线谱和包迹谱(时变调制谱)的特性。舰船噪声时变功率谱可表示为：

G(t,f)=GX(f)+GL(f)+M(t)M(f)GX(f)，

(1)

式中：GX(f)为平稳各态历经高斯过程的连续谱；GL(f)为在频率上离散分布的线谱；M(t)M(f)GX(f)为谱级受到周期调制的时变功率谱；M(t)为调制函数，代表连续谱所受到的周期时变调制；M(f)为调制深度谱，反映不同频率成分所具有的不同调制程度。

目标辐射噪声的仿真框图如图2所示。

图2 目标辐射噪声的仿真框图

2.3.2 侦察脉冲信号仿真模块

在仿真中，通过模拟器可以选择单频脉冲信号。与噪声类随机信号不同，侦察脉冲信号属于可用显函数表示的确定性信号，可按函数表达式计算产生。本模拟器采用迭代算法产生各种单、调频信号，速度快，精度高，通用性好。通过改变迭代参数即可产生出具有不同特性的单、调频脉冲信号。

2.3.3 水听器基阵阵形仿真模块

本模拟器中对典型的线列舷侧阵形进行模拟，最多能够对33个水听器的进行模拟，即依据目标的方向和距离经过反波束形成得到33路水听器相应的接收信号。对目标入射波采用面波的假设，基阵所收到的目标声波可视为从某一方向入射的一束平面波，由于各基元空间所在位置不同，各基元接收信号之间存在着因到达时间不同而产生的时间差。这种时间差随着入射方向的不同而变化。

线阵的阵元间延时为：

(2)

式中：i=1,2,…,n，n为阵元数，i为第i个阵元；R为目标与阵中距离；Li为第i阵元到阵中距离；θi为目标到第i阵元的方向；c为声速。

声呐中通过时延补偿实现各基元信号同相叠加的方法，实现对目标的检测和定向，这是声呐中的波束形成。在基阵信号模拟中，按平面波假设从1个目标源信号产生具有特定时延的多基元输出，在声呐基阵信号模拟中被称为反波束形成。反波束形成时首先根据基阵结构和目标方位计算入射波到达各基元的时延，并把时延值量化为相应的粗延控制量和细延控制量。然后采用通常的存储器寻址方法，实现各基元信号的粗延。细延通过内插FIR滤波器实现，为了保证时延精度，反波束形成时延计算的量化步长定为10-7s。

2.3.4 信号传播中的背景噪声仿真模块

从声呐方程中可以看到，任何声呐系统的性能都受到背景噪声的限制，这里背景噪声主要包括环境噪声。通常认为海洋环境噪声为宽带，每倍频程下降6 dB，强度由海况决定。同时也设计了从-1～-9 dB谱状的滤波系数可供显控选择。

背景噪声谱状控制采用自回归谱拟合技术实现。但为了保证各基元的背景噪声相互独立，各基元背景噪声的自回归谱拟合是多路分别进行，以保证各路给出的噪声序列互不相关。背景噪声仿真的原理框图如图3所示。

图3 背景噪声仿真的原理框图

3 结束语

本声呐目标模拟器充分利用现代数字信号处理理论及技术，其硬件系统基于高速灵活的DSP处理芯片，使先进的信号仿真模型与算法得以在模拟器上实现，使之具有仿真建模方法独特，结构设计新颖，功能齐全、仿真精度高、通道数多、可编程、通用性及可扩展性强等优点，在功能性、实用性和技术指标上达到了设计要求，具有十分广泛的应用前景。

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[5]李国胜.基于CPCI总线的高速数据记录系统设计 [J].计算机与网络，2011(9):14-18.

Debugging and repairing a new type of sonar always require a specific parameter sensor signal.In order to give this signal,a new design for sonar simulator is presented which is based on sonar universal digital signal processing platform.The digital simulator which can work online is designed according to new type sonar.It can simulate sonar signals which have the same characteristic as reality and can help engineer debugging and repairing.It is very useful for improving support capability in late model sonar.

signal processing platform;simulator;emulation

U672.3

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.06.005

盛成明(1962-)，男，浙江宁波人，高级工程师，硕士，主要研究方向为水声工程。

2014-07-11