赵俊杰
一种多点实时收发尺度目标模拟器的DSP实现方法
赵俊杰
(昆明船舶设备研究试验中心, 云南昆明, 650051)
针对水声对抗中单收多发尺度目标模拟器模拟回波与真实潜艇回波存在着较大差异, 介绍了一种基于高级数字信号处理器(ADSP)的多点实时收发尺度目标模拟器的实现方法, 采用多点收发方式, 多通道信号并行实时检测处理, 从回波的空间特性、时频域特性等方面提高目标模拟器对水下尺度目标的模拟逼真程度。测试结果表明, 系统的最小时延一般可控制在10 ms内, 减少了时延模拟和目标强度模拟的差异, 在各亮点回波频率上更接近于真实潜艇回波。该研究可为尺度目标模拟技术的进一步优化提供参考。
水声对抗; 回波; 尺度目标模拟; 多点实时收发
在水下声学目标模拟及对抗中, 声学目标模拟器接收来自鱼雷的探测信号, 对其进行处理和变换之后产生回波信号, 从而引导或诱骗鱼雷跟踪和攻击目标。点源目标模拟器可有效模拟声源级、多普勒、距离及目标强度等参数[1], 但随着水声对抗技术的不断发展, 现役或在研声自导鱼雷基本都具备尺度识别能力, 水下目标特性模拟真实程度相应需要提高。
在鱼雷自导系统工作的高频条件下, 亮点模型是回声信号的良好近似描述[2]。声学尺度目标模拟器由若干个换能器按一定空间形状组合在一起, 通过接收并转发鱼雷自导信号, 以实现对潜艇声反射特性的模拟[3]。
现有声学尺度目标模拟器一般采用单收多发方式, 单一采样点复制的入射波只能从时延、强度方面反映潜艇目标特性[4], 而潜艇的各个亮点相互独立, 目标回波是不同亮点的子回波在空间相干迭加的结果[5], 因此模拟回波与真实潜艇回波存在着较大差异。文献[6]构建了潜艇回波的多亮点数学模型, 该模型将整个潜艇等价成6个阵元的线列阵, 通过控制各阵元的信号强度和时延可以模拟出潜艇在不同角度入射信号作用下的回波, 从而较为真实的模拟潜艇目标。
为保证目标模拟的真实性和有效性, 目前通常采用数字信号处理器(digital signal processor, DSP)作为目标模拟器信号处理核心, 算法程序回波方式一般为设定回波或存储重发模式。设定回波模式实现原理是通过信号处理算法检测鱼雷探测信号脉冲, 确定其制式类型后, 将预先计算生成的脉冲数据作为回波信号发射, 其缺点是忽略了鱼雷探测信号传播至目标模拟器过程中的波形衰减畸变等影响, 并且由于各型鱼雷探测信号制式差异, 确定信号脉冲时刻因信号制式而异, 从而导致回波信号的真实性和实时性大受影响; 存储重发模式实现原理是通过信号处理算法检测鱼雷探测信号脉冲, 确定其制式类型后, 完整接收鱼雷探测信号脉冲, 将其进行处理和变换之后产生回波信号, 其缺点是回波信号的实时性不佳。
基于此, 文中介绍一种基于高级数字信号处理器(advanced digital signal processor, ADSP)的多点实时收发水下声学尺度目标模拟器的实现方法。该处理器工作于多点收发拖曳线列阵上, 在确保信号检测及应答的准确性条件下, 实现对鱼雷探测信号的多点实时检测应答, 从回波的空间特性、时频域特性等方面提高声学目标模拟器对水下尺度目标的模拟逼真程度。并可根据情况灵活改变程序, 适应各型鱼雷探测信号制式差异。程序在Windows操作系统下, 由VisualDSP++5.0开发环境编写, 采取集成化、模块化设计, 各项独立功能均单独形成模块, 便于调试和使用[7]。
拖曳线列阵多个阵元的接收换能器各自独立工作, 当检测到鱼雷探测信号脉冲后, 通过数字前放等电路组件提取出信号脉冲的包络宽度和载频频率, 经信号处理后分别向各自阵元所属的发射换能器传送回波信号, 分布于线列阵上的各阵元接收换能器真实地接收到鱼雷探测信号脉冲传递到所模拟亮点处的实际声信号, 故各个阵元能较为真实的向鱼雷反馈鱼雷探测信号回波。同时, 各阵元的回波信号到达鱼雷的时间有先后差别, 即鱼雷接收到各发射换能器的回波脉冲有先后之分, 且反馈回鱼雷的声信号包含线列阵中各个发射换能器的方位信息, 根据声波相干叠加效应, 使得鱼雷在不同的位置接收到的各发射换能器回波总和与该位置的实际潜艇回波相似, 从而达到声模拟潜艇尺度方向上回波的目的。
多点收发尺度目标模拟器信号处理设备由光纤接口处理板和DSP信号处理板组成。目标模拟器接收换能器接收到的多路鱼雷自导信号经前置信号处理电路组件以中断的方式传至光纤接口处理板DSP0, DSP0逐一响应中断, 将所有A/D采样数据存储后打包经Link口送至DSP信号处理板上的DSP1。DSP1接收A/D数据, 并将其分发至对应的DSP2、DSP3和DSP4芯片进行并行信号处理, 每片DSP处理信号产生的回波控制信息均返回至DSP1, 由其回传至光纤接口处理板DSP0。DSP0依据回波控制信息将存储的A/D采样数据送至功率放大组件, 控制多路回波的形成及回发。
多点实时收发信号处理程序运行于信号处理控制设备中的光纤接口处理板和DSP信号处理板上各DSP芯片上, 主要由数据收发模块、数据信息传送模块和信号处理模块组成。多片DSP互联结构如图1所示。
数据收发模块运行于光纤接口处理板上的DSP0芯片, 负责对接收到的信号数字流进行记录、转换和初步处理, 之后通过Link口送至DSP信号处理板, 并将DSP信号处理板返回的回波控制信息协议包转换成串行数字流发送到位于拖曳声学阵上的功率放大组件。数据收发模块同时还负责向前置信号处理组件和功率放大组件分别传送数字频率均衡参数。
信号处理模块并行运行于DSP信号处理板上的DSP2、DSP3和DSP4芯片, 进行多路信号的检测处理工作, 确认其特征与鱼雷自导寻的信号相符时, 根据设定回波策略, 产生多路回波控制参数按照指定协议格式打包通过Link口发送至光纤接口处理板。
数据收发模块完成多通道信号采集与实时应答。光纤接口处理板上的DSP作为数据收发控制中心, 数据收发模块通过光纤口接收前置信号处理电路组件多路A/D采样数据流, 每一路A/D采样数据会产生独立中断, 模块中的A/D数据流接收单元判断中断源, 以A/D中断间隔为时间单元对接收到相应通道数字信号进行转换、记录。一个时间单元内的多路A/D中断均响应完毕后, 将转换形成的数字信号通过Link口送至DSP信号处理板上的数据信息传送模块。
信号处理模块检测信号后产生的回波控制信息通过Link口经数据信息传送模块返回光纤接口处理板, 数据收发模块中的D/A数据流发送单元将记录的A/D采集数据转换成串行数字流发送到位于拖曳声学阵上的功率放大组件。同时, 以A/D中断周期为Link口数据传输间隔, 作为整个系统的时统信号。数据收发模块流程图如图2所示。
数据信息传送模块运行于DSP信号处理板上的DSP1芯片, 程序实现其Link口双向通信模式[8], 在一个A/D中断周期内完成以下功能: 接收转换形成的多路A/D采样数据流, 并将其分发至对应的DSP芯片; 同时接收每片DSP芯片上信号处理模块返回的回波控制信息, 并将其回传至数据收发模块。
信号处理模块并运行于DSP信号处理板上的多片DSP芯片, 每片DSP经Link口接收的A/D采集数据被保存到专门的循环随机存取存储器(ramdom access memory, RAM)区域中, 程序模块以最快速度对输入的数据块作加窗处理后进行频谱分析[9], 根据处理结果计算出该块数据的频率、电压幅度及信噪比等, 再把每次处理结果保存到专门的循环存储区域。
程序模块对每一次处理结果进行判断, 检测到有满足条件的信号后, 计算并保存该信号的平均频率、最大幅度、脉宽、周期、调频方式及信噪比等参数。当检测到有效信号后, 程序模块立即将回发标志送至数据收发模块, 同时继续检测信号, 直至信号结束和最小回波长度完成, 将回波停止标志送至数据收发模块。信号处理模块流程图见图3。
为实现信号的实时应答, DSP程序必须同时进行信号检测和回波形成。由于鱼雷探测信号在传播过程中的畸变会产生大量的虚警和波形起伏, 且脉冲信号结束检测比起始检测更不稳定, 而对信号结束的误检会立即导致回波断裂。
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为保证回波信号完整性, 在程序中引入最小回波长度概念, 回波结束需同时满足2个条件: 信号检测结束和最小回波长度完成。回波信号的完整性指的是对到达目标模拟器的畸变探测信号准确检测, 并将此畸变信号原样回发, 不产生误检、漏检等导致丢失脉宽的现象, 其可真实反映鱼雷探测信号在水中发传播过程。通过回波信号完整性设计, 实现在探测信号畸变导致脉冲在检测过程中不能保持足够的稳定性, 也能完整地产生回波信号。通过对鱼雷湖上实航试验尺度目标模拟器应答波形数据进行分析,可看到远程衰减畸变波形经检测后被精确识别复制并回发, 最大程度上消除了模拟器处理环节上对鱼雷探测信号真实性的影响。经过数十条次各型鱼雷试验统计鱼雷自导系统对目标模拟器回波均判定为有效信号。程序检测信号状态如图4所示。
目前尺度目标模拟器可实现3点实时检测, 12~15点实时应答, 通过扩展DSP信号处理板上DSP芯片使用, 可实现更多点数实时检测应答。
在水声对抗中, 尺度目标模拟器需要不断提高对潜艇声学特性的模拟逼真度, 文中所述方法通过对鱼雷探测信号的多通道高速采集、多中断实时响应处理、各DSP间Link口高速双向传输和多通道信号并行实时检测处理, 实现对鱼雷探测信号的多点实时检测应答; 通过Link口双向通信模式程序设计, 实现数据信息双向实时传送, 确保了系统实时性, 系统的最小时延一般可控制在10 ms内, 相对于受鱼雷探测信号制式差异影响导致回波信号时延分布于几十到几百毫秒的设定回波模拟器而言降低了时延模拟、目标强度模拟的差异, 在各亮点回波频率上更接近于真实潜艇回波, 提高了回波在频域、时空域的模拟逼真度。
文中所述尺度目标模拟器不能实时判断鱼雷方位, 产生相应可变亮点模型, 对于智能鱼雷而言是明显的真假目标区别特征, 因此接下来应从时变亮点模型[10]、各亮点回波处理方法研究等着手, 进一步改进模拟器尺度目标模拟逼真程度。
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(责任编辑: 杨力军)
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 simulatorʹs 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.
赵俊杰(1981-), 男, 硕士, 工程师, 主要从事水声目标模拟信号处理技术研究.