聲學(xué)浮標(biāo)多功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),聲學(xué)論文

聲學(xué)浮標(biāo)多功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),聲學(xué)論文海上試驗(yàn)專用聲學(xué)浮標(biāo)是指布放于海上，具有水聲通信、測(cè)量、定位等一種或多種功能的浮標(biāo)體，由于其在水聲測(cè)量方面的簡(jiǎn)便性，在海上試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。研究浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)技術(shù)，在不增加體積的條件下，使其能實(shí)現(xiàn)更多的功能，規(guī)范浮標(biāo)的設(shè)計(jì)技術(shù)和方式方法，對(duì)提高浮標(biāo)的可靠性，節(jié)省存放空間、降低經(jīng)費(fèi)，意義深遠(yuǎn)。最近幾年，隨著當(dāng)代電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路、DSP、FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，能夠利用軟件動(dòng)態(tài)改變部件內(nèi)部配置進(jìn)行電路重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種不同用處[1],這些技術(shù)的應(yīng)用使海上試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)的多功能設(shè)計(jì)成為可能。2聲學(xué)浮標(biāo)的構(gòu)造組成及信號(hào)分析2.1浮標(biāo)的總體構(gòu)造試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)采用積木式構(gòu)造，由天線段、支撐桿、浮體、水下電子艙和水聽(tīng)器及電纜等構(gòu)成。華而不實(shí)水下電子艙內(nèi)設(shè)有控制單元、水聲信號(hào)處理單元、無(wú)線通信鏈模塊和DGPS接收機(jī)、可充電電池、存儲(chǔ)單元等電子設(shè)備。天線段部分架設(shè)DGPS天線、無(wú)線通信天線和航標(biāo)燈。浮標(biāo)構(gòu)造示意圖如此圖1所示。2.2浮標(biāo)的基本功能浮標(biāo)的基本功能：1〕本身DGPS定位功能；2〕具有與測(cè)量基站無(wú)線通信的能力；3〕具有對(duì)水下目的水聲測(cè)量、通信的一種或多種專門的能力。2.3聲學(xué)浮標(biāo)的信號(hào)浮標(biāo)有無(wú)線電數(shù)據(jù)傳輸通道和水聲測(cè)量通道，主要利用無(wú)線電傳輸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及控制命令，用聲傳感器實(shí)測(cè)和傳遞水下數(shù)據(jù)。水聲信號(hào)有輸入輸出兩個(gè)部分，因測(cè)量頻率不同還有多個(gè)頻段，有多路輸入輸出的要求。可能有多個(gè)模擬輸入，如矢量水聽(tīng)器有VX、VY兩路輸入，雙水聽(tīng)器時(shí)有P1、P2兩路聲壓輸入?？梢阅苡袛?shù)字信號(hào)輸入，如壓力傳感器、方位儀數(shù)據(jù)等，數(shù)字輸入可以合成一路傳輸。模擬輸出一般為一路，但可能有輔助測(cè)量信號(hào)，這樣就可能為兩路模擬信號(hào)。2.4浮標(biāo)的水聲信號(hào)流程一般浮標(biāo)水聽(tīng)器接收的聲信號(hào)首先經(jīng)前放接收機(jī)預(yù)處理。前放與水聽(tīng)器硫化在一起，有一定的放大增益。接收機(jī)包括濾波和放大功能，濾波器頻率范圍為幾百赫茲到幾十千赫茲，放大增益較大。然后到達(dá)ADC、DSP處理電路，由16bit高精度ADC和兩片TMS320VC5402構(gòu)成水聲信號(hào)處理器子系統(tǒng)。信號(hào)處理子系統(tǒng)的主要任務(wù)為：1〕檢測(cè)信號(hào)并測(cè)量到達(dá)時(shí)刻，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)盡可能低的檢測(cè)閾，以便有盡可能遠(yuǎn)的作用距離。2〕能夠跟蹤多目的。信號(hào)經(jīng)處理后構(gòu)成結(jié)果保存在中心處理單元并由無(wú)線電數(shù)據(jù)發(fā)送回基站。3〕多路水聲輸入輸出信號(hào)的處理。發(fā)送的信號(hào)由水聲DSP產(chǎn)生經(jīng)DAC、發(fā)射機(jī)、功放電路到發(fā)射換能器發(fā)射。華而不實(shí)功放電路功率較大，需占用一定的空間。模擬信號(hào)可能是多路的，必須有不同的放大通道及ADC、DAC電路。一般聲學(xué)浮標(biāo)信號(hào)流程框圖如此圖2所示。3浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)當(dāng)前大多數(shù)浮標(biāo)都是專用浮標(biāo)，一種浮標(biāo)只要一種特定的功能。沒(méi)有多功能浮標(biāo)的原因在于浮標(biāo)功能多浮標(biāo)體積勢(shì)必做得很大，影響使用，而且多功能在技術(shù)上融合難度大，沒(méi)有專用浮標(biāo)專門設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，配屬的單位也不同，這樣導(dǎo)致已有擬建的浮標(biāo)系統(tǒng)很多，構(gòu)成資源的浪費(fèi)。在不增加浮標(biāo)的體積下，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)多種用處的途徑就是浮標(biāo)的多功能設(shè)計(jì)。3.1浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)定義浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)是指不改變浮標(biāo)的總體構(gòu)造和硬件主要配置，通過(guò)改變外設(shè)配置、內(nèi)部電路部件選擇、DSP及軟件配置而使浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)水聲不同頻段水聲通信、應(yīng)答、不同類型目的信號(hào)測(cè)量跟蹤等功能，其不同的功能主要是通過(guò)改變水聲信號(hào)處理單元的配置而實(shí)現(xiàn)。浮標(biāo)多功能的實(shí)現(xiàn)流程如此圖3所示。3.2整體電氣構(gòu)造配置為確保多功能配置的方便性，必須采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)，做到總線接口標(biāo)準(zhǔn)，特定模塊、通用模塊分開(kāi)。內(nèi)部電氣整體構(gòu)造采用104總線寶塔型構(gòu)造。各功能模塊完成特定的功能，主要由如下模板組成：GPS接收及無(wú)線通信板，電源板，主控及數(shù)據(jù)處理板，水聲處理板，前置及放大器板等組成，見(jiàn)圖2.GPS接收及無(wú)線通信板，電源板，主控及數(shù)據(jù)處理板為基本電路板，水聲輸入處理板，水聲輸出處理板，前置及放大器板為系統(tǒng)可選部件，按需求安裝或通過(guò)主控軟件選擇配置。浮標(biāo)功能由不同的水聲處理軟件及不同的硬件配置實(shí)現(xiàn)。華而不實(shí)DGPS、定位、授時(shí)同步、無(wú)線擴(kuò)頻通信、電源控制、中心控制單元、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存部件為系統(tǒng)基本模塊，主要完成浮標(biāo)本身定位、系統(tǒng)時(shí)間同步、無(wú)線電數(shù)傳、電源控制、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)配置控制等功能。水聲DSP、ADC、DAC、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)為內(nèi)部可選擇配置部件，完成水聲測(cè)量和發(fā)送、信號(hào)預(yù)處理、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換、水聲信號(hào)處理、測(cè)量頻段選擇、測(cè)量方式選擇、信號(hào)檢測(cè)方式方法控制等功能，華而不實(shí)水聲DSP由現(xiàn)場(chǎng)配置，接收及發(fā)射部分可在浮標(biāo)體內(nèi)部選擇。功放和接收水聽(tīng)器或發(fā)射換能器為浮標(biāo)外部可選擇部件，根據(jù)試驗(yàn)要求通過(guò)電纜連接于浮標(biāo)外部，完成水聲信號(hào)的功率放大、接收和發(fā)送。4聲學(xué)浮標(biāo)多功能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)4.1浮標(biāo)多功能的共同部件設(shè)計(jì)共同部件指無(wú)需再配置部分，為浮標(biāo)的基本組成之一，此部分以中心處理單元為核心，除實(shí)現(xiàn)定位、數(shù)傳、時(shí)間同步、處理、存儲(chǔ)等功能外，還實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲測(cè)量的配置、部件選擇控制、電源分配控制等功能，即確定浮標(biāo)水聲測(cè)量形式。主要由DSP中心處理器、CF儲(chǔ)存卡、DGPS定位守時(shí)、通信部件、門控電路組成。水聲測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)軟件〔主要為聲學(xué)DSP、FPGA配置軟件〕全部放在CF卡上，系統(tǒng)接收控制指令把某特定功能軟件調(diào)出配置在聲學(xué)處理板上以實(shí)現(xiàn)水聲測(cè)量功能。設(shè)計(jì)無(wú)需再述。中心處理單元軟件主要工作流程如此圖4所示。4.2浮標(biāo)聲信號(hào)處理部分設(shè)計(jì)聲信號(hào)處理板是浮標(biāo)多功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，主要由聲學(xué)信號(hào)處理DSP、數(shù)據(jù)接口FPGA電路、DAC、ADC、水聲信號(hào)調(diào)理放大電路、水聲發(fā)射及接收電路組成。對(duì)于水聲測(cè)量，DAC、ADC的時(shí)間同步周期為100kHz已足夠，放大電路可采用寬帶電路，覆蓋低頻到高頻帶。硬件構(gòu)造框圖如此圖5所示。該部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于水聲DSP處理軟件和SRAMFPGA的配置軟件，用存在控制中心CF卡上的水聲處理軟件對(duì)水聲信號(hào)處理DSP進(jìn)行重編程，由相應(yīng)的FPGA配置軟件對(duì)數(shù)據(jù)接口SRAMFPGA進(jìn)行重配置，即可改變系統(tǒng)的水聲處理功能，使該部分獲得專用的水聲測(cè)量的能力。該部分需要完成如下兩部分功能：對(duì)輸入輸出通道的配置控制，對(duì)相應(yīng)水聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的配置的流程如此圖6所示。水聲DSP數(shù)據(jù)處理軟件為專用軟件，不同的水聲功能配套有不同的處理軟件，其處理的信號(hào)形式到最終的結(jié)果都是不同的，但最后的數(shù)據(jù)流都向主控中心發(fā)送。圖7是某測(cè)量系統(tǒng)聲學(xué)DSP的信號(hào)處理部分流程。SRAMFPGA的重新配置也不復(fù)雜，主要對(duì)其CONF-DON、nSTATUS、nCONFIG引腳的讀寫控制，數(shù)據(jù)通過(guò)DATA0引腳寫入，時(shí)序通過(guò)DCLK電路引入即可。該部分主要完成輸入輸出的連接的選擇。4.3聲學(xué)外部可選擇部件及連接插頭的設(shè)計(jì)外部可選擇部件包括電纜、前〔功〕放、水聽(tīng)器〔換能器〕等，一般的換能器連接較為簡(jiǎn)單，特殊的如被動(dòng)測(cè)量矢量換能器、大功率發(fā)射換能器等能夠把相關(guān)外測(cè)電路、功放電路和水聽(tīng)器做在一起，或增加輔助電子艙，把壓力傳感器、功放電路、方位儀放在一起。以實(shí)現(xiàn)其外部的特殊功能，減少浮標(biāo)的內(nèi)部體積。故必須對(duì)浮標(biāo)的電纜外接頭的引腳進(jìn)行規(guī)范，定義1~8腳為聲模擬信號(hào)輸入腳，9~12為數(shù)字、模擬電源腳，13~14數(shù)字信號(hào)角，15~19為聲模擬信號(hào)輸出腳等。5結(jié)束語(yǔ)文章闡述了海上試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)由單一功能轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ艿脑O(shè)計(jì)方式方法。利用當(dāng)代電子技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)聲學(xué)浮標(biāo)的DSP進(jìn)行重編程、FPGA進(jìn)行重配置，使浮標(biāo)功能在現(xiàn)場(chǎng)可改變，使浮標(biāo)由單一水聲測(cè)量功能發(fā)展成為能夠兼顧多種水聲測(cè)量功能，解決了浮標(biāo)數(shù)量太多，放置、使用不便的問(wèn)題?！矆D表略〕參考文獻(xiàn)