宮 平，生雪莉，王 巖，王圣煒，郭龍翔，張 曉

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋信息獲取與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工程大學(xué)），工業(yè)和信息化部，黑龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著海戰(zhàn)中魚(yú)雷的出現(xiàn)，且裝藥量大，直接攻擊艦船水線以下部位，導(dǎo)致其比導(dǎo)彈更容易將艦船擊沉或造成毀滅性打擊，因此科學(xué)家們開(kāi)始著手研發(fā)反魚(yú)雷裝備[1]。但是隨水下信號(hào)處理算法的改進(jìn)，魚(yú)雷與反魚(yú)雷裝置二者的性能都有顯著的提升。我國(guó)對(duì)聲模擬器的研究起步于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)研制出了多種艦船聲特征模擬器。隨著反魚(yú)雷技術(shù)的日益成熟，智能魚(yú)雷已無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位跟蹤[2-3]。為增強(qiáng)我國(guó)智能魚(yú)雷的檢測(cè)與識(shí)別能力，通過(guò)模擬主動(dòng)偵察過(guò)程中目標(biāo)回波在不同探測(cè)角度下強(qiáng)度與尺度的差異，為智能聲探測(cè)系統(tǒng)以及分布式水下協(xié)同探測(cè)系統(tǒng)提供多個(gè)視角下的目標(biāo)特征智能融合的聲模擬輸入；通過(guò)模擬被動(dòng)偵察過(guò)程中目標(biāo)輻射的寬帶譜和低頻線譜，為智能聲探測(cè)系統(tǒng)以及分布式水下協(xié)同探測(cè)系統(tǒng)提供與目標(biāo)噸位、航速、尺度相匹配的頻域特性的聲模擬輸入，為增強(qiáng)以信息化作戰(zhàn)為主體的未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)的攻防能力提供智能、實(shí)時(shí)的聲模擬裝置，從而提高安靜型潛艇和水下武器的探測(cè)能力和識(shí)別能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

艦船模擬器通過(guò)三路水聽(tīng)器對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)信號(hào)處理進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，并根據(jù)功能要求進(jìn)行回波重構(gòu)，模擬3個(gè)亮點(diǎn)的反射信號(hào)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，骨架由輕質(zhì)均勻材質(zhì)節(jié)桿拼接而成，發(fā)射換能器與接收傳感器之間設(shè)有隔聲裝置，防止模擬器的輸出回波對(duì)自身的輸入信號(hào)造成干擾。發(fā)射換能器發(fā)射模擬的艦船輻射噪聲，對(duì)敵方的被動(dòng)聲吶目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行誘騙。接收換能器可將接收到的信號(hào)，發(fā)送給信號(hào)處理板。

圖1 艦船聲特征模擬器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架Fig.1 Overall design framework of ship acoustic characteristic simulator system

1.2 處理器選擇

本系統(tǒng)采用的信號(hào)處理器，為德州儀器（TI）研制的TMS320C6678，其集成了8個(gè)高性能的定/浮點(diǎn)運(yùn)算的CPU內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核的最高頻率高達(dá)1.25 GHz，定點(diǎn)性能高達(dá)40 GMAC，浮點(diǎn)性能高達(dá)20 GFLOP[4-5]，每個(gè)內(nèi)核的內(nèi)部架構(gòu)如圖2所示。

為實(shí)現(xiàn)完整、準(zhǔn)確模擬信號(hào)回波的要求，聲特征模擬器采取ALE濾波器提高信號(hào)信噪比配合多次Notch濾波器迭代的算法測(cè)量信號(hào)參數(shù)，且所模擬的艦船信息為空間體目標(biāo)信號(hào)，三通道信號(hào)同時(shí)處理。算法復(fù)雜，處理時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于普通處理器無(wú)法滿足虛靶量要求。因此，選取多核DSP-TMS320C6678，不僅具有8個(gè)處理核芯，且每個(gè)內(nèi)核均具有超強(qiáng)的處理運(yùn)算能力。在實(shí)驗(yàn)室水池試驗(yàn)中，可在100 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)三通道LFM信號(hào)的回波模擬。

1.3 信號(hào)處理板設(shè)計(jì)

采集后的三路信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理板的濾波放大電路，將信號(hào)加強(qiáng)后輸入給信號(hào)處理板的AD轉(zhuǎn)換模塊，AD模塊生成的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA中。FPGA通過(guò)SRIO協(xié)議100次/s向DSP發(fā)送三通道數(shù)據(jù)，DSP的處理節(jié)拍由FPGA控制。DSP每個(gè)節(jié)拍內(nèi)產(chǎn)生的回波數(shù)據(jù)經(jīng)由FPGA發(fā)往DA轉(zhuǎn)換模塊，生成的模擬信號(hào)經(jīng)由功率放大器放大后，由換能器發(fā)出，聲特征模擬器的信號(hào)處理板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 TMS320C6678各內(nèi)核內(nèi)部架構(gòu)圖Fig.2 Internal architecture of each core of TMS320C6678

圖3 信號(hào)處理板設(shè)計(jì)Fig.3 Design of signal processing board

2 聲特征模擬器算法在多核DSP上的應(yīng)用

2.1 聲特征模擬器的被動(dòng)工作模式

在被動(dòng)工作模式下，聲模擬器通過(guò)模擬艦船噪聲來(lái)模擬假的艦船目標(biāo)。艦船輻射噪聲模擬是通過(guò)連續(xù)譜和線譜的輸出來(lái)模擬目標(biāo)輻射源噪聲，本系統(tǒng)中，利用多節(jié)點(diǎn)的組合，不僅可以模擬點(diǎn)目標(biāo)，還可以模擬具有空間尺度的體目標(biāo)源。

艦船輻射噪聲的頻譜由連續(xù)譜和線譜組成。其中，連續(xù)譜噪聲由機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲以及水動(dòng)力噪聲產(chǎn)生。連續(xù)譜的頻段很寬，在低頻段，由于螺旋槳的空化效應(yīng)，噪聲的譜級(jí)隨頻率上升，但并不是十分明顯；在高頻段，在高于峰值頻率的頻段中，頻譜呈下降趨勢(shì)。峰值對(duì)應(yīng)的頻率一般存在于200 ～400 Hz頻段內(nèi)，由船型決定。線譜主要由機(jī)械噪聲與螺旋槳噪聲引起。其中，機(jī)械噪聲引起的線譜及其諧波分量在強(qiáng)度與頻率上很穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)榇倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變而改變。而螺旋槳噪聲引起的線譜，其強(qiáng)度與頻率會(huì)因船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變而產(chǎn)生變化。當(dāng)螺旋槳未發(fā)生空化時(shí)，其產(chǎn)生的線譜強(qiáng)度很強(qiáng)，但隨著航速的增加，空化效應(yīng)增強(qiáng)，寬帶噪聲增強(qiáng)，會(huì)淹沒(méi)某些線譜[6-7]。將仿真得到的連續(xù)譜與線譜相加，得到真實(shí)的艦船輻射噪聲，其功率譜如圖4所示。

圖4 艦船輻射噪聲功率譜Fig.4 Power spectrum of ship radiated noise

被動(dòng)工作模式下的聲模擬器采用2個(gè)內(nèi)核協(xié)同工作的方式進(jìn)行，其中0核負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)運(yùn)行，另一個(gè)內(nèi)核7核負(fù)責(zé)產(chǎn)生實(shí)時(shí)的輻射噪聲信號(hào)。噪聲模擬之前，PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)口對(duì)DSP進(jìn)行控制即將指令寫(xiě)入到DSP的共享內(nèi)存中，DSP通過(guò)上位機(jī)傳來(lái)的指令、參數(shù)要求進(jìn)行相應(yīng)的噪聲模擬，多核協(xié)作模式如圖5所示。

0核：聲模擬器的總控制核。負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行網(wǎng)口的收發(fā)控制，包括接收PC機(jī)的控制命令以及向PC機(jī)發(fā)送信號(hào)數(shù)據(jù)；負(fù)責(zé)與FPGA之間進(jìn)行SRIO口的數(shù)據(jù)收發(fā)，如果是播放錄取的輻射噪聲，要將得到AD數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將生成的DA數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA；負(fù)責(zé)通知7核產(chǎn)生噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)。

7核：當(dāng)收到0核的輻射噪聲生成指令后，在指定的內(nèi)存位置讀取噪聲參數(shù)信息，生成輻射噪聲信號(hào)，將其寫(xiě)入固定的內(nèi)存位置。此處，7核不需要向0核發(fā)送噪聲數(shù)據(jù)寫(xiě)完成指令，0核會(huì)在固定時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行讀取。

圖5 被動(dòng)模式下的多核協(xié)作模式Fig.5 Multi-core cooperation mode in passive mode

2.2 聲特征模擬器的主動(dòng)工作模式

聲模擬器的主動(dòng)工作模式通過(guò)多路水聽(tīng)器、濾波放大電路、AD轉(zhuǎn)換模塊接收對(duì)目標(biāo)的尋的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)PC機(jī)傳來(lái)的設(shè)置參數(shù)，生成不同的回波信號(hào)，通過(guò)DA轉(zhuǎn)換模塊、功放、換能器發(fā)射出去，以反映艦船的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。

1）在上位機(jī)上對(duì)DSP進(jìn)行設(shè)置，包括所實(shí)現(xiàn)功能以及模擬所需參數(shù)。DSP收到中斷后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，包括功能位是否存在，所設(shè)參數(shù)是否在規(guī)定范圍內(nèi)等。如果判斷出參數(shù)信息合理，則開(kāi)始對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2）DSP等待FPGA的門(mén)鈴中斷的到來(lái)，有中斷觸發(fā)時(shí)，說(shuō)明FPGA已經(jīng)將信號(hào)數(shù)據(jù)寫(xiě)進(jìn)DSP內(nèi)存中。AD轉(zhuǎn)換模塊精度為32 Bit，因此需要將數(shù)據(jù)換算處理為某一范圍內(nèi)的合理數(shù)據(jù)才可使用。

3）由于尋的信號(hào)中心頻率未知，將得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)線譜增強(qiáng)器（ALE）以增強(qiáng)其信噪比，對(duì)處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行能量檢測(cè)，并與所設(shè)門(mén)限對(duì)比，若大于門(mén)限值，則認(rèn)為檢測(cè)到目標(biāo)的尋的信號(hào)，若小于門(mén)限值，則認(rèn)為所處理數(shù)據(jù)為環(huán)境噪聲，未檢測(cè)到尋的信號(hào)[8]。若檢測(cè)到尋的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的參數(shù)估計(jì)，包括幅度、頻率、調(diào)頻斜率等。其中，頻率經(jīng)由過(guò)零頻率估計(jì)器粗測(cè)，Notch濾波器細(xì)測(cè)得到。幅度、調(diào)頻斜率斜率都可由Notch濾波器選擇不同的中心頻帶，多次濾波迭代得到。

主動(dòng)工作模式需要實(shí)時(shí)地計(jì)算出信號(hào)的幅度、頻率、調(diào)頻斜率。而其中的調(diào)頻斜率在本系統(tǒng)中用多次Notch濾波器迭代求出，計(jì)算量大且耗時(shí)長(zhǎng)，因此，此任務(wù)分配給3個(gè)核并行執(zhí)行，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。主動(dòng)模式需要不間斷檢測(cè)信號(hào)能量，且當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，須準(zhǔn)確對(duì)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，并模擬回波。在多核DSP TMS320C6678上單核實(shí)現(xiàn)一路信號(hào)的參數(shù)估計(jì)（信號(hào)幅度、頻率、調(diào)頻斜率）時(shí)，用時(shí)間函數(shù)測(cè)量1 000點(diǎn)樣本信號(hào)的算法時(shí)間為7 ms。因此，如果將信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)參數(shù)估計(jì)放在同一核內(nèi)執(zhí)行，即檢測(cè)到信號(hào)后立刻估計(jì)信號(hào)參數(shù)，且當(dāng)信號(hào)脈寬小于7 ms時(shí)會(huì)發(fā)生檢測(cè)錯(cuò)誤。為解決這一沖突，將信號(hào)的能量檢測(cè)與信號(hào)的參數(shù)估計(jì)分開(kāi)，在不同的內(nèi)核上運(yùn)行。1核、2核、3核對(duì)信號(hào)進(jìn)行持續(xù)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)后交由其他核進(jìn)行處理，具體的多核協(xié)作模式如圖6所示。

圖6 TMS320C6678的多核協(xié)作模式Fig.6 Multi-core cooperation mode of TMS320C6678

0核：聲模擬器的總控制核。負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行網(wǎng)口的收發(fā)控制，包括接收PC機(jī)的控制命令以及向PC機(jī)發(fā)送信號(hào)數(shù)據(jù)；負(fù)責(zé)與FPGA之間進(jìn)行SRIO口的數(shù)據(jù)收發(fā)，包括將得到AD數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將生成的DA數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA；負(fù)責(zé)通知1核、2核以及3核數(shù)據(jù)到達(dá)，處理數(shù)據(jù)。

1核、2核、3核：當(dāng)收到0核的數(shù)據(jù)到達(dá)指令時(shí)，在指定內(nèi)存位置取出數(shù)據(jù)，分別對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的能量檢測(cè)，即1核負(fù)責(zé)處理1通道的數(shù)字信號(hào)，2核負(fù)責(zé)處理2通道信號(hào)，3核負(fù)責(zé)處理3通道信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)的能量大于設(shè)定門(mén)限值時(shí)，分別通知4核、5核或6核進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)下降沿時(shí)，計(jì)算信號(hào)脈寬，告知7核。

4核、5核、6核：當(dāng)收到1核、2核或3核的估計(jì)信號(hào)參數(shù)的命令時(shí)，在指定內(nèi)存位置取出數(shù)據(jù)，分別對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，包括估計(jì)信號(hào)的幅度、頻率、調(diào)頻斜率等，并將所得參數(shù)寫(xiě)入DSP的共享內(nèi)存中，同時(shí)通知7核。

7核：當(dāng)收到4核、5核或6核的回波生成指令后，在指定的內(nèi)存位置讀取信號(hào)參數(shù)信息，生成回波信號(hào)，將回波信號(hào)數(shù)據(jù)寫(xiě)入固定的內(nèi)存位置。此處，7核不需要向0核發(fā)送寫(xiě)完成指令，0核會(huì)在固定時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行讀取。

3 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)室信道水池，對(duì)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式回波模擬功能進(jìn)行驗(yàn)證。選取2個(gè)工作頻帶為15～25 kHz的換能器，2個(gè)JYH1000型號(hào)的功放，水聽(tīng)器為8104標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器。試驗(yàn)場(chǎng)地選取信道水池，標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器與模擬尋的信號(hào)的換能器間的距離為1 m，與聲模擬器的發(fā)射換能器間距離為5 m，且模擬器的發(fā)射換能器與水聽(tīng)器之間有相應(yīng)的消聲裝置。

換能器所模擬的尋的信號(hào)為25 kHz的正弦信號(hào)，占空比為0.1，信號(hào)脈寬為0.1 s。示波器監(jiān)測(cè)到的水聽(tīng)器接收信號(hào)如圖7所示，可見(jiàn)模擬器所發(fā)射的回波信號(hào)脈寬也為0.1 s。由于隔聲裝置的存在，模擬器的回波信號(hào)在模擬器的接收水聽(tīng)器處強(qiáng)度很小。模擬器回波信號(hào)參數(shù)與尋的信號(hào)參數(shù)一致。當(dāng)入射的尋的信號(hào)到達(dá)100 ms后，模擬器的發(fā)射換能器將回波信號(hào)發(fā)出，虛靶量滿足要求。

圖7 聲特征模擬器主動(dòng)模式下的回波模擬水池實(shí)驗(yàn)Fig.7 Pool experiment for echo simulation in active mode of acoustic characteristic simulator