趙俊杰

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一種多點實時收發(fā)尺度目標模擬器的DSP實現(xiàn)方法

趙俊杰

(昆明船舶設備研究試驗中心, 云南昆明, 650051)

針對水聲對抗中單收多發(fā)尺度目標模擬器模擬回波與真實潛艇回波存在著較大差異, 介紹了一種基于高級數(shù)字信號處理器(ADSP)的多點實時收發(fā)尺度目標模擬器的實現(xiàn)方法, 采用多點收發(fā)方式, 多通道信號并行實時檢測處理, 從回波的空間特性、時頻域特性等方面提高目標模擬器對水下尺度目標的模擬逼真程度。測試結果表明, 系統(tǒng)的最小時延一般可控制在10 ms內, 減少了時延模擬和目標強度模擬的差異, 在各亮點回波頻率上更接近于真實潛艇回波。該研究可為尺度目標模擬技術的進一步優(yōu)化提供參考。

水聲對抗; 回波; 尺度目標模擬; 多點實時收發(fā)

0 引言

在水下聲學目標模擬及對抗中, 聲學目標模擬器接收來自魚雷的探測信號, 對其進行處理和變換之后產生回波信號, 從而引導或誘騙魚雷跟蹤和攻擊目標。點源目標模擬器可有效模擬聲源級、多普勒、距離及目標強度等參數(shù)[1], 但隨著水聲對抗技術的不斷發(fā)展, 現(xiàn)役或在研聲自導魚雷基本都具備尺度識別能力, 水下目標特性模擬真實程度相應需要提高。

在魚雷自導系統(tǒng)工作的高頻條件下, 亮點模型是回聲信號的良好近似描述[2]。聲學尺度目標模擬器由若干個換能器按一定空間形狀組合在一起, 通過接收并轉發(fā)魚雷自導信號, 以實現(xiàn)對潛艇聲反射特性的模擬[3]。

現(xiàn)有聲學尺度目標模擬器一般采用單收多發(fā)方式, 單一采樣點復制的入射波只能從時延、強度方面反映潛艇目標特性[4], 而潛艇的各個亮點相互獨立, 目標回波是不同亮點的子回波在空間相干迭加的結果[5], 因此模擬回波與真實潛艇回波存在著較大差異。文獻[6]構建了潛艇回波的多亮點數(shù)學模型, 該模型將整個潛艇等價成6個陣元的線列陣, 通過控制各陣元的信號強度和時延可以模擬出潛艇在不同角度入射信號作用下的回波, 從而較為真實的模擬潛艇目標。

為保證目標模擬的真實性和有效性, 目前通常采用數(shù)字信號處理器(digital signal processor, DSP)作為目標模擬器信號處理核心, 算法程序回波方式一般為設定回波或存儲重發(fā)模式。設定回波模式實現(xiàn)原理是通過信號處理算法檢測魚雷探測信號脈沖, 確定其制式類型后, 將預先計算生成的脈沖數(shù)據(jù)作為回波信號發(fā)射, 其缺點是忽略了魚雷探測信號傳播至目標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信號制式差異, 確定信號脈沖時刻因信號制式而異, 從而導致回波信號的真實性和實時性大受影響; 存儲重發(fā)模式實現(xiàn)原理是通過信號處理算法檢測魚雷探測信號脈沖, 確定其制式類型后, 完整接收魚雷探測信號脈沖, 將其進行處理和變換之后產生回波信號, 其缺點是回波信號的實時性不佳。

基于此, 文中介紹一種基于高級數(shù)字信號處理器(advanced digital signal processor, ADSP)的多點實時收發(fā)水下聲學尺度目標模擬器的實現(xiàn)方法。該處理器工作于多點收發(fā)拖曳線列陣上, 在確保信號檢測及應答的準確性條件下, 實現(xiàn)對魚雷探測信號的多點實時檢測應答, 從回波的空間特性、時頻域特性等方面提高聲學目標模擬器對水下尺度目標的模擬逼真程度。并可根據(jù)情況靈活改變程序, 適應各型魚雷探測信號制式差異。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、模塊化設計, 各項獨立功能均單獨形成模塊, 便于調試和使用[7]。

1 多片DSP結構及程序實現(xiàn)

1.1 工作機理

拖曳線列陣多個陣元的接收換能器各自獨立工作, 當檢測到魚雷探測信號脈沖后, 通過數(shù)字前放等電路組件提取出信號脈沖的包絡寬度和載頻頻率, 經(jīng)信號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, 分布于線列陣上的各陣元接收換能器真實地接收到魚雷探測信號脈沖傳遞到所模擬亮點處的實際聲信號, 故各個陣元能較為真實的向魚雷反饋魚雷探測信號回波。同時, 各陣元的回波信號到達魚雷的時間有先后差別, 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包含線列陣中各個發(fā)射換能器的方位信息, 根據(jù)聲波相干疊加效應, 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際潛艇回波相似, 從而達到聲模擬潛艇尺度方向上回波的目的。

多點收發(fā)尺度目標模擬器信號處理設備由光纖接口處理板和DSP信號處理板組成。目標模擬器接收換能器接收到的多路魚雷自導信號經(jīng)前置信號處理電路組件以中斷的方式傳至光纖接口處理板DSP0, DSP0逐一響應中斷, 將所有A/D采樣數(shù)據(jù)存儲后打包經(jīng)Link口送至DSP信號處理板上的DSP1。DSP1接收A/D數(shù)據(jù), 并將其分發(fā)至對應的DSP2、DSP3和DSP4芯片進行并行信號處理, 每片DSP處理信號產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)。

多點實時收發(fā)信號處理程序運行于信號處理控制設備中的光纖接口處理板和DSP信號處理板上各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處理模塊組成。多片DSP互聯(lián)結構如圖1所示。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊運行于光纖接口處理板上的DSP0芯片, 負責對接收到的信號數(shù)字流進行記錄、轉換和初步處理, 之后通過Link口送至DSP信號處理板, 并將DSP信號處理板返回的回波控制信息協(xié)議包轉換成串行數(shù)字流發(fā)送到位于拖曳聲學陣上的功率放大組件。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊同時還負責向前置信號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)。

信號處理模塊并行運行于DSP信號處理板上的DSP2、DSP3和DSP4芯片, 進行多路信號的檢測處理工作, 確認其特征與魚雷自導尋的信號相符時, 根據(jù)設定回波策略, 產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 多通道信號采集與實時應答

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊完成多通道信號采集與實時應答。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)會產生獨立中斷, 模塊中的A/D數(shù)據(jù)流接收單元判斷中斷源, 以A/D中斷間隔為時間單元對接收到相應通道數(shù)字信號進行轉換、記錄。一個時間單元內的多路A/D中斷均響應完畢后, 將轉換形成的數(shù)字信號通過Link口送至DSP信號處理板上的數(shù)據(jù)信息傳送模塊。

信號處理模塊檢測信號后產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)轉換成串行數(shù)字流發(fā)送到位于拖曳聲學陣上的功率放大組件。同時, 以A/D中斷周期為Link口數(shù)據(jù)傳輸間隔, 作為整個系統(tǒng)的時統(tǒng)信號。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊流程圖如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)信息雙向實時傳送

數(shù)據(jù)信息傳送模塊運行于DSP信號處理板上的DSP1芯片, 程序實現(xiàn)其Link口雙向通信模式[8], 在一個A/D中斷周期內完成以下功能: 接收轉換形成的多路A/D采樣數(shù)據(jù)流, 并將其分發(fā)至對應的DSP芯片; 同時接收每片DSP芯片上信號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 多通道信號并行實時檢測

信號處理模塊并運行于DSP信號處理板上的多片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)隨機存取存儲器(ramdom access memory, RAM)區(qū)域中, 程序模塊以最快速度對輸入的數(shù)據(jù)塊作加窗處理后進行頻譜分析[9], 根據(jù)處理結果計算出該塊數(shù)據(jù)的頻率、電壓幅度及信噪比等, 再把每次處理結果保存到專門的循環(huán)存儲區(qū)域。

程序模塊對每一次處理結果進行判斷, 檢測到有滿足條件的信號后, 計算并保存該信號的平均頻率、最大幅度、脈寬、周期、調頻方式及信噪比等參數(shù)。當檢測到有效信號后, 程序模塊立即將回發(fā)標志送至數(shù)據(jù)收發(fā)模塊, 同時繼續(xù)檢測信號, 直至信號結束和最小回波長度完成, 將回波停止標志送至數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。信號處理模塊流程圖見圖3。

2 優(yōu)化與擴展

為實現(xiàn)信號的實時應答, DSP程序必須同時進行信號檢測和回波形成。由于魚雷探測信號在傳播過程中的畸變會產生大量的虛警和波形起伏, 且脈沖信號結束檢測比起始檢測更不穩(wěn)定, 而對信號結束的誤檢會立即導致回波斷裂。

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為保證回波信號完整性, 在程序中引入最小回波長度概念, 回波結束需同時滿足2個條件: 信號檢測結束和最小回波長度完成。回波信號的完整性指的是對到達目標模擬器的畸變探測信號準確檢測, 并將此畸變信號原樣回發(fā), 不產生誤檢、漏檢等導致丟失脈寬的現(xiàn)象, 其可真實反映魚雷探測信號在水中發(fā)傳播過程。通過回波信號完整性設計, 實現(xiàn)在探測信號畸變導致脈沖在檢測過程中不能保持足夠的穩(wěn)定性, 也能完整地產生回波信號。通過對魚雷湖上實航試驗尺度目標模擬器應答波形數(shù)據(jù)進行分析,可看到遠程衰減畸變波形經(jīng)檢測后被精確識別復制并回發(fā), 最大程度上消除了模擬器處理環(huán)節(jié)上對魚雷探測信號真實性的影響。經(jīng)過數(shù)十條次各型魚雷試驗統(tǒng)計魚雷自導系統(tǒng)對目標模擬器回波均判定為有效信號。程序檢測信號狀態(tài)如圖4所示。

目前尺度目標模擬器可實現(xiàn)3點實時檢測, 12~15點實時應答, 通過擴展DSP信號處理板上DSP芯片使用, 可實現(xiàn)更多點數(shù)實時檢測應答。

3 結束語

在水聲對抗中, 尺度目標模擬器需要不斷提高對潛艇聲學特性的模擬逼真度, 文中所述方法通過對魚雷探測信號的多通道高速采集、多中斷實時響應處理、各DSP間Link口高速雙向傳輸和多通道信號并行實時檢測處理, 實現(xiàn)對魚雷探測信號的多點實時檢測應答; 通過Link口雙向通信模式程序設計, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息雙向實時傳送, 確保了系統(tǒng)實時性, 系統(tǒng)的最小時延一般可控制在10 ms內, 相對于受魚雷探測信號制式差異影響導致回波信號時延分布于幾十到幾百毫秒的設定回波模擬器而言降低了時延模擬、目標強度模擬的差異, 在各亮點回波頻率上更接近于真實潛艇回波, 提高了回波在頻域、時空域的模擬逼真度。

文中所述尺度目標模擬器不能實時判斷魚雷方位, 產生相應可變亮點模型, 對于智能魚雷而言是明顯的真假目標區(qū)別特征, 因此接下來應從時變亮點模型[10]、各亮點回波處理方法研究等著手, 進一步改進模擬器尺度目標模擬逼真程度。

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(責任編輯: 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, 主要從事水聲目標模擬信號處理技術研究.