徐燕，鄒洋，李濤，江林鋒

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主動聲吶陣元信號監(jiān)測儀系統(tǒng)的開發(fā)

徐燕，鄒洋，李濤，江林鋒

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海201108)

介紹了一種基于信號處理機的主動聲吶陣元信號監(jiān)測儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有基陣陣元測試、聲學(xué)譜級測量、指向性測量、幅相一致性測量和混響級測量等功能。首先介紹了該系統(tǒng)的硬件平臺、軟件平臺及主要功能，之后詳細(xì)介紹各主要模塊的設(shè)計流程及實現(xiàn)，最后給出實錄信號分析結(jié)果，應(yīng)用情況表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用便捷，功能全面，可明顯提高主動聲吶設(shè)備的研發(fā)速度和試驗的效率。

主動聲吶；陣元信號監(jiān)測儀；幅相一致性；譜級測量；指向性測量；混響級測量

0 引言

近年來隨著海洋技術(shù)的開發(fā)與不斷發(fā)展，聲吶設(shè)備的研究越來越受重視。但由于水聲設(shè)備試驗的環(huán)境常常很復(fù)雜，存在多種不確定因素，而且聲吶工作在水下，故障率相對較高，維修技術(shù)難度大，維修工作量也大。另外，聲吶生產(chǎn)過程中對基陣的調(diào)試、試驗和檢驗若僅依靠聲吶整機來進行測試，不僅檢測效果受很大限制，而且工作效率低下[1]。因此，為了有效實施聲吶基陣的檢驗、維護與修理，需要對聲吶能夠進行獨立的系統(tǒng)測試。本文以主動聲吶為例，設(shè)計開發(fā)了主動聲吶陣元信號監(jiān)測儀，該系統(tǒng)能獨立運行，有效檢驗陣元的接收性能，實時監(jiān)控基陣陣元的信號狀態(tài)，分析濕端信號頻譜特性，特別是環(huán)境或混響噪聲譜級、總聲級的測量和混響級衰減曲線顯示等功能，為主動聲吶系統(tǒng)實驗室及海上的調(diào)試和檢驗提供了簡便、實用的手段[2]。

1 系統(tǒng)概述

1.1 硬件平臺

整個系統(tǒng)的硬件平臺包括1臺CPCI處理機機箱，一塊主控板，一塊信號處理板和一塊接口板。

處理機機箱采用6U結(jié)構(gòu)，1個系統(tǒng)槽，5個擴展槽，最大限度地滿足對空間擴展的需求。

主控板是一款6U CPCI主板，采用Intel GME965+Intel ICH8M芯片組，板載Intel Core 2 Duo L7500高性能低功耗處理器和2GB雙通道DDRⅡ內(nèi)存，支持VGA+LVDS(DVI)獨立雙顯(LVDS與DVI可二選一)。

ADSP-TS201S高速陣列信號處理板是信號處理平臺的核心部分，它是基于Analog Device公司Tiger SHARC(ADSP-TS201S)芯片的一塊高性能數(shù)字信號處理板。該板用6片主頻600MHz的Tiger SHARC(ADSP-TS201S)芯片，峰值浮點運算能力可達(dá)21.6GFLOPS。該板卡采用32bit/66MHz的CPCI總線，并提供大容量的存儲器，每片DSP獨享256 MB外部SDRAM，整板外部存儲容量為1536 MB。每板提供6個外部高速LINK數(shù)據(jù)通訊接口。

接口板是一款6U CPCI光纖解碼板，用于接收光纖信號并轉(zhuǎn)化為電信號，解碼二層千兆以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)報文及后端LINK口發(fā)送，是信號處理板與數(shù)據(jù)源之間的接口模塊。接口板采用1個光纖收發(fā)器、1塊PCI橋芯片(PCI9056)，1片DSP芯片(ADSP- TS201SABP-060)，2片F(xiàn)PGA芯片(XC5VLX50- 1FF676I，XC5VLX30T-1FF665I)的硬件架構(gòu)，接口板接收的數(shù)據(jù)速率不小于300 MB/s，采用32 bit/66 MHz的CPCI總線，全雙工方式LINK口。

1.2 軟件平臺

該監(jiān)測儀系統(tǒng)采用Visual DSP++和Visual C++軟件開發(fā)平臺，中科海訊Visual DSP++Target調(diào)試工具和Real Time Debugger調(diào)試工具，可以實現(xiàn)在主計算機上對目標(biāo)DSP硬件網(wǎng)絡(luò)的集中控制管理以及各種硬件資源和數(shù)據(jù)的實時在線觀察、跟蹤、調(diào)試等功能，可以減輕在多DSP處理器網(wǎng)絡(luò)上進行應(yīng)用軟件系統(tǒng)開發(fā)的難度[3]。

1.3 功能簡介

該監(jiān)測儀系統(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)對聲吶基陣陣元采集信號的實時監(jiān)控，通過幅相一致性等處理，綜合診斷濕端狀態(tài)，測量環(huán)境噪聲或混響分布情況，測量濕端接收指向性等功能。系統(tǒng)設(shè)計了友好的用戶界面，能根據(jù)用戶實際需求采用全通道或單通道模式顯示陣元數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)參數(shù)解析、單通道頻譜圖、指向性圖、相位一致性圖、幅度一致性圖、接收混響級等顯示功能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 主程序流程

主控程序根據(jù)人機界面控制，首先加載DSP程序，通過CPCI總線與信號處理板進行交互，將輸入?yún)?shù)與標(biāo)志位等寫入DSP，信號處理板接收指令后進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，主控以中斷響應(yīng)機制讀取信號處理板內(nèi)存中數(shù)據(jù)，從而完成全通道顯示、單通道顯示、頻譜分析、指向性分析、幅相一致性分析、參數(shù)解析、接收混響級分析等功能。系統(tǒng)主控流程圖如圖1所示。

2.2 主要模塊說明

監(jiān)測儀主要由接口板模塊、信號處理模塊、顯控模塊三個模塊組成。

2.2.1接口板模塊

接口板模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。監(jiān)測儀首先通過光纖收發(fā)器接收光纖信號，經(jīng)過FPGA解碼將二層千兆以太網(wǎng)協(xié)議報文解碼，獲得基陣數(shù)字電信號，然后DSP芯片在每個采樣周期內(nèi)要完成從FPGA的FIFO中取數(shù)、移位、存儲、啟動DMA傳輸。DSP程序采用匯編語言完成，程序在數(shù)據(jù)讀寫以及傳輸當(dāng)中采用乒乓機制，避免競爭帶來的時間延遲，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過LINK口將數(shù)據(jù)傳遞至信號處理板。其流程圖如圖2所示。

2.2.2信號處理模塊

信號處理模塊完成將接收到的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理，該模塊采用Visual DSP++的集成開發(fā)環(huán)境完成。信號處理板的DSP0通過接收來自接口板傳送過來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化、量化、打包整理后通過LINK口發(fā)送給DSP1；DSP1進行數(shù)據(jù)累積，并根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議解析參數(shù)信息，通過LINK口將所有數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP2；DSP2讀取標(biāo)志位，根據(jù)不同標(biāo)志位進行數(shù)據(jù)積累、頻譜分析、譜級計算、方向性計算、相位一致性分析、幅度一致性分析、能量級(混響級)分析等處理，最后存儲處理結(jié)果并中斷主控，主控根據(jù)界面輸入情況以讀取相對應(yīng)的DSP板內(nèi)存地址供界面程序顯示，其中，波形顯示時，每路通道數(shù)據(jù)顯示的點數(shù)可以動態(tài)更改，頻譜圖等圖像內(nèi)有跟蹤光標(biāo)，能實時顯示光標(biāo)所在位置數(shù)據(jù)。其流程圖如圖3所示。

圖3中頻譜分析是對指定單通道數(shù)據(jù)累積到8192點進行傅里葉變換，并代入實際輸入增益和靈敏度等參數(shù)，在頻域上計算總聲級，監(jiān)控頻點譜級，0~30 kHz頻段內(nèi)譜級曲線等處理的分析過程。

相位一致性測量是指對全通道數(shù)據(jù)依次進行傅里葉變換處理，以首通道為參考，采用互譜求相位差的方法，獲得全通道相位一致性結(jié)果。

幅度一致性測量是對全通道數(shù)據(jù)依次進行去直流偏置和有效值求取，以首通道為參考，獲得全通道幅度一致性結(jié)果。

指向性測量是基于主動同步信號的自動測量功能，外置聲源受主動聲吶同步信號觸發(fā)，脈沖信號在聲吶接收通道位于固定距離上，自動將全通道數(shù)據(jù)直接累加，計算正橫方向回波脈沖的回波級，并根據(jù)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速周期性記錄數(shù)據(jù)，自動繪制接收指向性圖。

混響分析將單通道數(shù)據(jù)從同步開始到周期結(jié)束，分段處理混響信號包絡(luò)，根據(jù)接收增益和靈敏度，折算到接收混響級并顯示周期內(nèi)變化趨勢。

2.2.3顯控模塊

顯控模塊主要完成整個軟件系統(tǒng)的控制和顯示。程序采用Visual C++開發(fā)環(huán)境完成，主要以窗口化方式友好地實現(xiàn)DSP處理板的初始化、程序的加載和DSP的參數(shù)輸入輸出控制，并將各通道數(shù)據(jù)合理地在Windows環(huán)境下，以波形方式動態(tài)顯示，方便用戶觀察、監(jiān)控聲吶基陣運行情況。顯控程序分全通道和單通道模式顯示通道數(shù)據(jù)及完成其它功能顯示。顯示控制界面如圖4所示。

3 實錄信號分析

該監(jiān)測儀系統(tǒng)應(yīng)用在某型聲吶濕端測試中。全通道顯示和參數(shù)解析如圖5所示；監(jiān)測儀單通道顯示及頻譜分析如圖6所示；幅度一致性和相位一致性圖測量如圖7、8所示；指向性測量如圖9所示；混響數(shù)據(jù)樣本前2.2 s為收發(fā)合置基陣發(fā)射串?dāng)_疊加混響信號情況，測量混響級如圖10所示。

由圖7和圖8中就能檢測出某一通道存在問題。由圖10可知混響信號由2.2 s開始。

由圖5~10可以看出，該監(jiān)測儀能夠很好地完成陣元通道顯示、參數(shù)解析、頻譜分析、幅相一致性測量、指向性測量、混響級測量分析任務(wù)，實時監(jiān)控基陣工作狀態(tài)，并且軟件兼容性和擴展性強，測量實時便捷，界面友好，系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文設(shè)計開發(fā)了適用于監(jiān)控主動聲吶基陣運行情況的監(jiān)測儀系統(tǒng)，通過該監(jiān)測儀既可以在實驗室或外場調(diào)試中直觀、方便地監(jiān)控聲吶基陣的陣元信號采集情況，獲取幅相一致性數(shù)據(jù)，綜合診斷濕端狀態(tài)，又可以測量環(huán)境噪聲或混響情況，還可以測量濕端接收指向性。該監(jiān)測儀已經(jīng)過多次使用，實踐證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功能全面，使用方便，提高了主動聲吶研發(fā)、測試及試驗的效率。

[1] 趙錦園. 一種拖曳線列陣聲吶線陣測試儀方案的設(shè)計[J]. 聲學(xué)與電子工程, 2010(4): 34-36.

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[2] 胡金華, 劉旺鎖, 陽志高, 等. 基于C30并行多處理器系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 船舶電子工程, 2006(5): 171-173.

HU Jinhua, LIU Wangsuo, YANG Zhigao, et al. Design and realizing of a parallel multiprocessor system of TMS320C30 [J]. Ship Electronic Engineering, 2006(5): 171-173.

[3] 李蕾, 吳永清, 蔡惠智. 聲吶基陣信號模擬器實時軟件的開發(fā)[J].聲學(xué)技術(shù), 2004, 23(3): 146-148.

LI Lei, WU Yongqing, CAI Huizhi. Realtime software development for sonar array signal simulator[J]. Technical Acoustics, 2004, 23(3): 146-148.

Development of an active sonar array signal monitoring system

XU Yan, ZOU Yang, LI Tao, JIANG Lin-feng

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

A signal processor based active sonar array signal monitoring system is developed and introduced in this paper. The system functions include array test, acoustic spectrum measurement, directivity measurement, amplitude-phase consistency measurement and reverberation level measurement. This paper first introduces the system hardware platform, software platform and system functions; then introduces the design process of the main modules and the implementation in detail; and finally gives the analysis results of the recorded signals by the system. The application shows that the system is stable and reliable, easy to use, fully functional, and it can greatly improve the efficiency of developing and testing.

active sonar; arraysignal monitor; amplitude-phase consistency; spectrum measurement; directivity measurement; reverberation level measurement

TB533

A

1000-3630(2015)-02-0176-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.015

2014-01-09;

2014-04-25

徐燕(1981－), 女, 浙江杭州人, 工程師, 研究方向為水聲信號處理。

徐燕, E-mail: byheu@126.com